大涡模拟在复杂流场中的计算与分析

发布时间：2017-10-11 18:30

  本文关键词：大涡模拟在复杂流场中的计算与分析

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【摘要】：半个多世纪以来,尽管航空燃气涡轮发动机已被广泛应用,但是叶轮机械中叶片附面层的复杂流动仍然没有被完全理解。对于高性能发动机的设计来说,精确计算是非常重要的。随着计算机运算能力的发展,大涡模拟对于轴流涡轮压气机的设计来说是一个很实用的模拟方法。本文采用的大涡模拟数值计算方法中,采用动态亚格子模型对亚格子应力进行了模化,数值通量的离散采用了具有六阶精度的对称形式的WENO格式,而粘性通量的离散采用了具有中心特性的六阶紧致差分格式,时间的推进为双时间步隐式牛顿迭代。最终,对以下问题进行了分析研究。首先,采用合成涡给定进口湍流边界条件,对超声速湍流边界层拟序结构进行了数值模拟分析。发现超声速湍流拟序结构与不可压湍流拟序结构并无差异,线性底层存在低速条带,对数律层存在以藤条状涡为主的大尺度涡结构,大尺度结构运动使得边界层存在间歇性。接着,在验证了合成涡进口边界条件适用性的基础上,对激波与湍流附面层相互干扰问题进行了分析研究。入射斜激波经下壁面反射出反射激波,其下游边界层在逆压梯度下发生分离。分离区的大小发生着变化,这也许与激波的低频振动有关。最后,对低雷诺数压气机叶片附面层的发展进行了大涡模拟,攻角为5o下,边界层在吸力面前缘发生分离,从而诱导转捩的发生,湍流使得掺混加强,因而边界层很快再附壁面。在60%弦长位置处,吸力面附面层发生分离形成尾迹。而在压力面,逆压梯度下边界层有转捩的发生,但是在靠近尾缘处压力梯度为正,从而使得转捩并未完成。
【关键词】：大涡模拟 超声速湍流 大尺度运动 激波附面层干扰 边界层 分离诱导转捩
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V231
【目录】：

• 摘要4-5
• 英文摘要5-12
• 注释表12-14
• 缩略词14-15
• 第一章 绪论15-38
• 1.1 研究背景及意义15-16
• 1.2 数值计算方法16-19
• 1.2.1 大涡模拟16-18
• 1.2.2 高精度数值格式18-19
• 1.3 超声速近壁湍流拟序结构19-21
• 1.4 激波与湍流附面层相互干扰21-26
• 1.5 边界层的转捩及影响因素26-37
• 1.5.1 边界层转捩模式27-29
• 1.5.2 转捩的影响因素29-32
• 1.5.3 压气机叶栅边界层发展的实验研究32-37
• 1.6 本文研究内容37-38
• 第二章 大涡模拟控制方程38-47
• 2.1 三维可压缩Navier-Stokes方程组38-40
• 2.1.1 笛卡尔坐标系下的N-S方程38-39
• 2.1.2 方程的无量纲化39-40
• 2.2 大涡模拟控制方程形式40-44
• 2.2.1 直角坐标下方程的形式40-41
• 2.2.2 曲线坐标下的方程形式41-44
• 2.3 动态亚格子模型44-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第三章 数值方法及边界条件47-60
• 3.1 有限体积法47-48
• 3.2 方程输运项的离散48-55
• 3.2.1 谱优化的WENO格式48-53
• 3.2.2 混合形式的格式53-55
• 3.3 方程耗散项的离散55-56
• 3.4 方程的时间推进方法56-57
• 3.4.1 显式时间推进56-57
• 3.4.2 隐式时间推进57
• 3.5 并行计算技术57-59
• 3.6 本章小结59-60
• 第四章 超声速近壁湍流拟序结构特性60-71
• 4.1 引言60-61
• 4.2 Van Driest转换61-62
• 4.3 湍流进口边界条件的给定62-65
• 4.3.1 几种进口湍流生成方法62-63
• 4.3.2 合成涡方法（Synthetic Eddy Method)63-65
• 4.4 计算参数及方法65-66
• 4.5 计算结果及分析66-69
• 4.6 本章小结69-71
• 第五章 激波与湍流附面层相互干扰71-82
• 5.1 引言71-72
• 5.2 计算模型及边界条件72-73
• 5.3 计算结果及分析73-81
• 5.3.1 激波结构73-74
• 5.3.2 反射激波后分离区变化74-79
• 5.3.3 激波后湍流脉动特性79-81
• 5.4 本章小结81-82
• 第六章 低雷诺数压气机叶栅流场大涡模拟82-92
• 6.1 引言82-83
• 6.2 计算参数及模型的建立83-84
• 6.3 边界条件及计算方法84
• 6.4 稳态计算结果及分析84-85
• 6.5 非定常计算结果及分析85-90
• 6.5.1 叶片表面压力及摩擦系数分布85-87
• 6.5.2 前缘分离转捩87-90
• 6.5.3 尾缘分离90
• 6.6 本章小结90-92
• 第七章 总结与展望92-94
• 7.1 总结92-93
• 7.2 展望93-94
• 参考文献94-99
• 致谢99-100
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文100

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 黄章峰;周恒;罗纪生;;超音速平板边界层湍流的直接数值模拟及分析[J];中国科学G辑:物理学、力学、天文学;2006年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 汪利;可压缩湍流边界层统计特性的直接数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2011年

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本文编号：1014027