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大涡模拟滤波网格尺度研究及其应用

戴正元  
【摘要】: 随着计算机性能的不断提高,数值模拟方法在湍流研究中的重要性也在不断增强。在各种数值模拟方法中,大涡模拟方法是现阶段计算机水平下,对复杂流动进行准确预测的最有效途径之一。大涡模拟滤波网格分布与计算质量有着直接联系,在现有的亚格子应力模型仍存有局限性的情况下,改进网格分布、以在尽可能小的网格总数下得到较好的网格分布,仍有着极为重要的意义。而在网格疏密的准则方面,目前仅在边界层区域有所依据。因此,本文目的为研究大涡模拟滤波网格的分布规律,并建立以特征频带湍动值新概念为标志的网格疏密准则,以在计算条件所允许的尽可能小的计算量下,改进大涡模拟的计算质量。为了验证该方法,对经典的后台阶流动与离心叶轮流道计算进行了大涡模拟计算和网格调整,在调整后的网格上得到了更接近于实验值的计算结果。同时,通过流场分析,了解各典型流场中各空间位置处湍动能的能谱分布及其对应的涡尺度大小。主要有以下内容与创新: 一.提出一种基于局部空间湍流能谱分布的调整局部滤波网格尺度的新理论与方法,该方法成功地应用于大涡模拟中,经与若干算例的实验结果对比,被证明在少量增加网格数量的情况下,可有效地提高计算结果的准确性。 二.使用小波分析方法对信号能谱分布和滤波网格尺度间关系进行了研究。以局部速度信号随时间的变化历程为对象,以能量比例阈值划分出特定频带的信号成分。凭借小波分析方法的时空双局域性功能,同时得到此频带信号成分的特征频带名义频率和特征频带速度幅值两方面特征。为了寻找能描述滤波网格尺度的适宜准则,在上述分析的基础上,首次提出了特征频带湍动值概念。此新概念与已有的描述流场湍动情况的参数(如湍流度)不同。它所研究的对象是某个频带区内的信号成分。该新概念能更好地描述流动的能量在不同时间(或空间)尺度上的分布。据此可以调整滤波网格尺度。这种网格布置方法,可以在能量的层面上,充分考虑被滤波部分信号对计算结果的影响。 三.根据所提出的特征频带湍动值,对局部信号滤波网格的适宜尺度进行量化计算。其结果表明,特征频带湍动值数据能够合理地反映局部湍动能谱的频率分布与尺度之间的关系,并可广泛用于各种雷诺数和物理边界条件下的大涡模拟计算中。 四.根据上述理论和计算方法,编制相应的程序,该程序具有整场特征频带湍动值分析与滤波网格调整功能。应用该程序对两个参数差异较大的后台阶流动进行大涡模拟计算,并对其进行网格疏密比较、分析与调整,然后再在调整后的网格上进行再次计算。计算结果与该两流动的实验值(包括回流区再附点位置)进行了比较,表明所提出的局部滤波网格尺度的新概念与相应的网格调整方法是合理、可靠的。 五.对一带无叶扩压器的低速压气机叶轮流道,进行了大涡模拟计算。在曲线网格下,计算了叶轮流道内的特征频带湍动值分布情况,并根据所提出的滤波网格疏密准则,调整了网格。将计算结果与该叶轮流道内部流场的PDA实验数据进行了比较,结果表明,在使用此方法将叶轮流道内部的网格数少量增加之后,叶轮流道出口处的总压升量结果的精度有明显提高。证明此方法可以应用于风机叶轮流道计算网格的适宜尺度分析。


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