收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

不可压缩湍流大涡模拟研究

邓小兵  
【摘要】: 由于缺乏有效的湍流预测手段,目前计算流体动力学对工程问题中常见的复杂流动难以给出准确的结果。可以说,湍流问题是计算流体动力学成为精确定量预测技术的主要障碍,是制约计算流体动力学学科发展和新型飞行器研制的一个无法绕开的瓶颈问题。湍流大涡模拟方法通过低通滤波运算将流场尺度划分为滤波可分辨尺度和亚滤波尺度,对滤波可分辨尺度运动用数值方法直接计算,而亚滤波尺度运动对滤波可分辨运动的影响则通过构造亚滤波尺度模型来加以模拟。由于高雷诺数湍流的小尺度运动具有普适性,理论上存在构造不依赖于具体流动的、普适的亚滤波尺度模型的可能,因而大涡模拟被认为具有提高湍流预测精度的能力,将会在不远的将来替代目前工程中普遍采用的雷诺平均方法,成为湍流工程计算的主要方法。 由于对湍流小尺度运动规律缺乏足够的了解,现有的各种亚滤波尺度模型还不能准确刻画亚滤波尺度运动的影响,从而引入了模型误差。另一方面,由于大涡模拟所处理的湍流问题是复杂的非定常非线性多尺度系统,直接应用一些在传统的定常、层流和湍流雷诺平均计算中成功的数值方法会带来较大的数值误差。数值误差与模型误差通过复杂的非线性动力学过程相互影响,使得目前的大涡模拟计算表现出相当大的不确定性。 本文通过对空间离散误差以及大涡模拟显式滤波方案的研究,建立了可以较好地控制数值误差影响的大涡模拟计算方案。基本的思路是尽可能减小空间离散格式的差分误差,然后通过大涡模拟显式滤波方案对数值误差加以控制,使之不影响亚滤波尺度模型的作用。为此,首先综合考虑尽可能减小差分误差和显式滤波控制混淆误差两方面的要求,构造了一个频谱优化的五点四阶中心型三对角紧致格式optC4。接着设计了与数值稳定滤波相统一的大涡模拟显式滤波方案,该方案通过一次滤波同时实现了中心型格式计算的数值稳定和大涡模拟显式滤波控制数值误差的目的。在此基础上,建立了具有较高误差控制水平的三维不可压缩湍流大涡模拟计算软件。 以上述软件为基础,本文还开展了亚滤波尺度模型误差的研究。首先研究了划分滤波可分辨尺度和亚滤波尺度的滤波宽度计算公式,提出了基于亚滤波尺度动能耗散的新滤波宽度公式。接着基于对湍流小尺度运动的可逆性和不可逆性的分析,给出了部分亚滤波尺度模型不能产生足够的平均动能耗散的物理解释。以此为基础,提出了亚滤波尺度模型应该由时间反演对称部分和时间反演反对称部分两个部分共同构成的准则,并且证明时间反演对称部分所产生的平均亚滤波尺度动能耗散率为零,从而亚滤波尺度模型的平均动能耗散率完全由时间反演反对称部分提供。这一准则实际上给出了所谓混合模型的物理基础,同时给出了模型时间反演对称部分对平均动能耗散贡献为零的物理约束。文章最后考查了以此为基础的、一般的动态混合模型构造方法,并针对两个模型部分的几个可能的选择实际构造了具体的模型。对时间反演对称部分采用相似性模型、而时间反演反对称部分用Smagorinsky模型的情形得到的两个新动态混合模型所作的计算表明,新模型克服了原有模型不能产生正确的平均动能耗散率的问题,并且给出了比动态Smagorinsky模型更准确的能谱分布。 全文共分七章,各章内容概述如下: 第一章为引言。概述了湍流研究的重要性和困难性,湍流图像的演化,湍流的研究方法,湍流数值模拟尤其是大涡模拟方法在湍流研究中的地位。回顾了不可压缩湍流大涡模拟方法的历史和研究现状,并扼要介绍了本文所作的工作。 第二章是对湍流大涡模拟方法的概括介绍,明确了本文的基本概念、方法和研究内容。首先简单讨论了大涡模拟方法的理论基础和控制方程,之后介绍了大涡模拟方法的误差分析与控制,讨论了显式滤波方案对大涡模拟误差控制的意义,明确了本文的误差控制策略。最后介绍了亚滤波尺度模型的检验方法和两个常用的亚滤波尺度模型。 第三章是数值方法。首先介绍了本文的不可压缩流动求解方法——虚拟压缩方法,并给出基于虚拟压缩方法的不可压缩湍流大涡模拟控制方程组及其在一般曲线坐标系下的形式。接着介绍了控制方程的空间离散方法和时间推进方案。最后是对应用高阶紧致格式的有限差分方法自由流守恒问题的处理方案。 第四章是对空间离散格式的研究,目的是设计符合本文误差控制方案要求的空间离散格式。首先论证了高阶中心型空间离散格式在具有较高误差控制水平的大涡模拟计算方案中的必要性。接着介绍了空间离散格式误差的傅立叶分析方法,探讨了差分格式的差分误差和混淆误差的影响。借鉴谱方法消除混淆误差的“3/2规则”,提出差分格式变形波数的优化区间应该限制在ω=kΔ∈[0,2/3π]以内。以此为基础,设计了一个优化的四阶中心型三对角紧致格式optC4。本章最后是对optC4格式优异的频谱分辨能力及其在误差控制策略中的有效性的验证与确认。最后,借助于精心设计的显式滤波方案提供的误差分离手段,考查了不同的空间离散误差对大涡模拟计算结果的影响。 第五章探讨了与数值稳定滤波相统一的大涡模拟显式滤波方案。首先讨论了目前文献中采用的、对非线性项滤波的显式滤波方案破坏控制方程的伽利略变换不变性的问题。接着讨论了对变量的数值稳定滤波方案在时间推进过程中的滤波累积效应及其引入的数值耗散对解的影响,针对这一问题提出了对增量的滤波方案,新滤波方案既避免了滤波累积效应,又不会破坏控制方程的伽利略变换对称性。然后介绍了文献中提出的、显式滤波算子交换误差为O(Δ~n)阶小量的充分条件,并证明这个条件与数值稳定滤波要求滤波算子的截断误差为O(Δ~n)阶小量是等价的,从而按照这个条件设计的滤波算子可以同时满足显式滤波和数值稳定滤波的要求。接着探讨了滤波算子的具体设计方案,提出针对空间离散格式的差分误差在波数空间的分布来确定滤波算子传递函数的显式滤波算子设计方法,并针对本文采用的optC4格式具体设计了相应的显式滤波算子。之后通过各向同性自由衰减湍流和槽道湍流两个算例的计算,对新滤波方案的有效性进行了验证。 第六章是亚滤波尺度模型研究。首先简短综述了常见的亚滤波尺度模型。紧接着,探讨了滤波宽度的计算方法,通过要求一般滤波算子与谱截断滤波算子在同样的滤波宽度定义下产生同样的亚滤波尺度动能耗散,给出了一个新的滤波宽度公式。数值计算的结果表明,新公式对各种性质的滤波算子都能给出准确的滤波宽度。接下来,探讨了亚滤波尺度模型的构造准则,并通过对湍流小尺度运动的可逆性和不可逆性的分析,给出了相似性模型、逆卷积模型等许多构造性模型耗散不足的物理解释,提出了亚滤波尺度模型应该由时间反演对称部分和时间反演反对称部分两个部分共同构成的准则,并且证明时间反演对称部分所产生的平均动能耗散率为零,从而亚滤波尺度模型的平均动能耗散率完全由时间反演反对称部分提供。这一准则实际上给出了所谓混合模型的物理基础,并同时给出了模型时间反演对称部分对平均动能耗散贡献为零的物理约束。最后考查了以此为基础的亚滤波尺度模型构造,提出时间反演反对称部分模拟平均动能耗散率,而时间反演对称部分模拟(除平均动能耗散率以外的)瞬时局部应力的一般动态混合模型构造思路,并针对两个模型部分的几个可能的选择实际构造了具体的模型。其中,对时间反演对称部分采用相似性模型、而时间反演反对称部分用Smagorinsky模型的情形得到单参数(DMMN)和两参数(DTMMN)两个新动态混合模型。对各向同性自由衰减算例的计算表明,新模型克服了原有模型不能产生正确的平均动能耗散率的问题。 第七章是本文的结束语。对本文的工作进行总结,并探讨了今后进一步研究的方向。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 杨小龙;符松;;速度估计模型在大涡模拟中的应用[J];计算力学学报;2007年06期
2 徐肖豪;赵鸿盛;杨传森;王振宇;;飞行进近中尾流的大涡数值模拟[J];南京航空航天大学学报;2010年02期
3 邓小兵;张涵信;李沁;;三维方柱不可压缩绕流的大涡模拟计算[J];空气动力学学报;2008年02期
4 张健;张星;姚华栋;;条件滤波大涡模拟方程封闭模型检验[J];工程热物理学报;2011年02期
5 徐岚,许春晓,崔桂香,陈乃祥;四阶紧致格式有限体积法湍流大涡模拟[J];清华大学学报(自然科学版);2005年08期
6 范兵;关正西;;固体火箭发动机大尺度多相内流场的大涡模拟[J];弹箭与制导学报;2008年02期
7 姜玉曦;任玉新;刘秋生;;高阶精度格式在火灾模拟中的应用[J];清华大学学报(自然科学版);2006年02期
8 樊洪明;张达明;赵耀华;胡家鹏;;90°弯曲圆管内流动数值模拟[J];北京工业大学学报;2007年02期
9 樊洪明;何开远;李先庭;;圆截面U形管流有限元模拟[J];空气动力学学报;2009年01期
10 邹琳;林玉峰;;亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的数值模拟及减阻研究[J];水动力学研究与进展A辑;2010年01期
11 席光;辛宝玉;;四阶精度显式滤波大涡模拟方法研究[J];工程热物理学报;2007年S1期
12 樊洪明,李先庭,何钟怡,江亿;方形截面弯管二次流数值模拟[J];热能动力工程;2002年05期
13 童兵,祝兵,周本宽;绕方柱流速度场的数值模拟[J];西南交通大学学报;2002年02期
14 马汉东;潘宏禄;王强;;超声速平板边界层斜波失稳转捩过程研究[J];力学学报;2007年02期
15 苏铭德,弗里德里克;用大涡模拟检验湍流模型[J];应用数学和力学;1994年11期
16 关晖,吴锤结;湍流横向射流大涡模拟及大尺度结构的涡环模型[J];河海大学学报(自然科学版);2005年02期
17 李昊;于胜春;李高春;赵汝岩;郑日恒;;突扩燃烧室流场RANS与LES模拟[J];海军航空工程学院学报;2009年02期
18 苏铭德;直方管内充分发展湍流的大涡模拟第二部分[J];空气动力学学报;1995年01期
19 刘宁宇,陆夕云,庄礼贤;分层剪切湍流大涡模拟的一种动力学亚格子尺度模型[J];中国科学A辑;2000年02期
20 林国华,傅德薰,马延文;空间发展混合流的大涡模拟[J];空气动力学学报;2001年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 苗世光;蒋维楣;;城市边界层大涡模拟初步研究[A];新世纪气象科技创新与大气科学发展——中国气象学会2003年年会“城市气象与科技奥运”分会论文集[C];2003年
2 佘振苏;史一蓬;张志雄;;湍流大涡模拟的复杂系统模型[A];祝贺郑哲敏先生八十华诞应用力学报告会——应用力学进展论文集[C];2004年
3 吴锤结;赵红亮;关晖;;湍流研究的最优低维动力系统方法[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
4 陆夕云;庄礼贤;;热分层剪切湍流大涡模拟动力学亚格子尺度模型[A];全国流体力学青年研讨会论文集[C];2001年
5 董宇红;陆夕云;;具有温度振荡的槽道热分层剪切湍流的大涡模拟[A];2003’全国流体力学青年研讨会论文集[C];2003年
6 钱炜祺;;可压缩翼型绕流大涡模拟初步研究[A];第十届全国分离流、旋涡和流动控制会议论文集[C];2004年
7 李廷秋;;大涡模拟风浪中动物体的流固耦合问题[A];第二十三届全国水动力学研讨会暨第十届全国水动力学学术会议文集[C];2011年
8 黄橙;周岱;张夏萍;;基于稳定化有限元方法的高雷诺数流场大涡模拟[A];第18届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2009年
9 张凯杨;许春晓;崔桂香;张兆顺;;平面射流及标量扩散的大涡模拟[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
10 吴锤结;;流体力学最优低维动力系统方法及其应用[A];全国流体力学青年研讨会论文集[C];2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 邓小兵;不可压缩湍流大涡模拟研究[D];中国空气动力研究与发展中心;2008年
2 张斌;大涡模拟滤波网格分析及网格自适应控制研究与应用[D];上海交通大学;2011年
3 傅磊;散料的流动性及其在弯管中气力输送的研究[D];大连理工大学;2000年
4 李志鹏;涡轮桨搅拌槽内流动特性的实验研究和数值模拟[D];北京化工大学;2007年
5 陈晓春;基于并行计算的大涡模拟方法及其工程应用基础研究[D];西安建筑科技大学;2004年
6 朱伟亮;基于大涡模拟的CFD入口条件及脉动风压模拟研究[D];北京交通大学;2011年
7 关晖;湍流射流的大涡模拟及其动力学特性研究[D];河海大学;2005年
8 李雪松;基于可压缩流方法的大涡模拟及其工程化应用[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2006年
9 余徽;浮力存在下的层流及湍流流动与传热的数值研究[D];四川大学;2001年
10 周磊;大涡模拟在燃油喷雾过程及多孔介质发动机中应用的研究[D];大连理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 罗志久;平板和沟槽面湍流边界层拟序结构的大涡模拟[D];吉林大学;2006年
2 肖红林;槽道湍流的大涡模拟[D];天津大学;2004年
3 周阳;建筑物脉动风压场大涡模拟入流边界条件的生成研究[D];广东工业大学;2012年
4 郭良民;大涡模拟应用研究及光船气动性能分析[D];国防科学技术大学;2005年
5 冯伟斌;基于湍流自相似结构的大涡模拟算法设计[D];北京大学;2005年
6 邱宇;湍流拟序结构的主动控制及强化传热机理[D];天津大学;2008年
7 胡一笑;船行波的计算机仿真研究[D];西安电子科技大学;2008年
8 孙学尧;基于缓解压力振荡MPS法的数值水池研究[D];上海交通大学;2011年
9 胡应明;采用大涡模拟技术发展NAPA软件的分离流动模拟能力[D];南京航空航天大学;2009年
10 梁旭;平壁湍流边界层拟序结构的大涡模拟[D];西安建筑科技大学;2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 郭志平;研究湍流的后起之秀[N];浙江日报;2000年
2 本报记者 连锦添;遭遇湍流[N];人民日报海外版;2002年
3 记者王春;国际湍流论坛再掀漩流[N];科技日报;2002年
4 任一言;佘振苏:一位长江学者的承诺[N];光明日报;2007年
5 上海社会科学院研究员 花建;在文化投资的湍流中[N];中国文化报;2002年
6 鲍勇剑;管理与力学[N];21世纪经济报道;2007年
7 本报记者 宋茜 郑颖 张武明;越过湍流是坦途[N];江西日报;2009年
8 石岩;学之大者 融通中西 为国为民 不懈追求[N];人民政协报;2009年
9 ;溶解氧(DO)[N];中国水利报;2004年
10 ;连续铸钢新技术问答(05)[N];中国冶金报;2004年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978