高精度WCNS格式在亚/跨声速分离流动中的应用研究
发布时间：2021-05-07 22:51
任何流动模拟的预测结果都依赖于所代表物理模型的准度以及求解相关方程的数值方法的精度。本文牢牢抓住高精度数值方法和先进湍流模型两方面,针对亚/跨声速条件下的分离流动问题开展了CFD应用研究。整体建立起了基于高精度WCNS系列格式、涵盖一阶矩和二阶矩湍流模式的混合RANS/LES方法体系。本文一方面致力于高精度数值方法的研究。总结和发展了精度测试方法和计算花费评价方式,并通过标准算例证明了WCNS系列格式在模拟涡流动方面的效率优势。同时对湍流模型,尤其七方程雷诺应力模型,开展了高精度离散研究。实现了湍流方程与RANS方程保持一致高阶的稳定求解,并通过算例证实了其意义。另一方面,针对先进湍流模型开展了应用研究。尤其对混合RANS/LES方法依赖的基础动力学方程进行了推导和研究,指出了工程中使用的混合方法能够取得成功的原因及其与LES方法的差距。同时,建立了涵盖一阶矩和二阶矩形式的混合RANS/LES方法框架。然后基于该框架,并通过标准算例,对诸如DES、SAS等不同类型的尺度求解方法进行了对比研究。开展了结合γ-Reθ转捩模型的高精度DES方法应用研究,在单圆柱和圆柱-...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：183 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
1.1 研究背景
1.2 湍流模型研究现状
1.2.1 RANS模型研究现状
1.2.2 混合RANS/LES方法研究现状
1.3 高精度有限差分格式研究现状
1.4 本文主要研究内容
第二章 控制方程及高精度数值方法
2.1 控制方程
2.1.1 笛卡尔坐标系下的NS方程
2.1.2 笛卡尔坐标系下NS方程的无量纲化
2.2 坐标变换
2.2.1 坐标变换
2.2.2 SCMM方法介绍
2.3 空间离散格式
2.3.1 WCNS-E6E5 格式
2.3.2 WCNS-E8T7 格式
2.3.3 粘性通量离散
2.4 时间推进方法
2.4.1 LU-SGS隐式时间推进
2.4.2 非定常双时间步法
2.5 边界条件
2.5.1 物面边界条件
2.5.2 远场边界条件
2.5.3 对称面边界条件
2.6 色散耗散分析
2.6.1 线性格式傅立叶分析
2.6.2 非线性格式的近似色散关系对比
2.7 本章小结
第三章 高精度WCNS格式的验证与确认
3.1 高精度方法验证与确认进展
3.1.1 欧盟的ADIGMA项目
3.1.2 高精度CFD方法国际研讨会
3.2 验证方法
3.2.1 有精确解算例的验证方法
3.2.2 无精确解算例的网格收敛性分析方法
3.2.3 计算花费统计方法
3.3 标准算例验证结果
3.3.1 二维光滑凸起流动
3.3.2 二维涡输运
3.3.3 二维平板层流边界层
3.3.4 三维层流三角翼
3.4 本章小结
第四章 高精度离散SST模型对比研究
4.1 可压缩RANS方程
4.2 SST模型高精度离散研究
4.2.1 SST模型
4.2.2 曲线坐标系下无量纲SST方程
4.2.3 SST模型数值求解
4.2.4 SST模型壁面边界处理
4.2.5 SST模型方程高精度离散验证
4.3 高精度SST-DES方法对比研究
4.3.1 DES类方法
4.3.2 NACA0021 翼型60 度大迎角分离模拟
4.4 本章小结
第五章 混合RANS/LES方法对比研究
5.1 混合RANS/LES方法框架
5.1.1 RANS方法到LES方法的过渡
5.1.2 混合RANS/LES方法控制方程
5.1.3 系综平均和滤波运算
5.1.4 雷诺平均脉动量和亚格子脉动量
5.2 混合RANS/LES框架的模化与求解
5.2.1 一阶矩混合RANS/LES模型
5.2.2 二阶矩混合RANS/LES模型
5.2.3 过渡函数
5.2.4 混合RANS/LES方程的简化
5.3 不同尺度求解方法之间的联系与差异
5.3.1 DES方法对比湍流量混合方法
5.3.2 SAS方法对比DES方法
5.4 不同尺度求解方法在高精度格式下的模拟能力对比
5.4.1 不同尺度求解方法对NACA0021 翼型的模拟
5.4.2 不同尺度求解方法对塔形凸起物的模拟
5.5 本章小结
第六章 基于转捩模型的高精度分离流动模拟
6.1 γ-Re_θ转捩模型
6.1.1 γ-Re_θ输运方程
6.1.2 γ-Re_θ转捩模型和SST模型的耦合
6.1.3 壁面边界条件
6.2 γ-Re_θ转捩模型的标定
6.2.1 经验关联函数的标定
6.2.2 T3 系列平板算例网格收敛性分析
6.3 高精度转捩模型在低速定常问题中的应用
6.3.1 S809 翼型
6.3.2 30 P-30N三段翼型
6.3.3 低速钝前缘三角翼
6.4 高精度转捩DES方法在非定常转捩/分离中的应用
6.4.1 基于γ-Reθ模型的高精度Tran-DDES方法
6.4.2 单圆柱转捩分离
6.4.3 圆柱-翼型干扰流动
6.5 横流效应对转捩的影响
6.5.1 基于γ-Re_θ转捩模型的静止横流转捩修正
6.5.2 NLF(2)-0415 后掠机翼
6.5.3 6 :1 标准椭球体
6.6 本章小结
第七章 基于雷诺应力模型的高精度分离流动模拟
7.1 SSG/LRR-ω模型
7.1.1 雷诺应力输运方程
7.1.2 比耗散方程
7.1.3 对雷诺应力方程的离散方法
7.1.4 高精度离散下雷诺应力模型验证
7.2 高精度SSG/LRR-ω模型在定常分离流动中的应用
7.2.1 NASA CW-22 跨声速涡轮叶片
7.2.2 NASA CRM翼身组合构型
7.2.3 NACA0012 半展长机翼翼梢涡
7.3 高精度SSG/LRR-DES类方法在非定常分离流动中的应用
7.3.1 SSG/LRR-DES类方法
7.3.2 NACA0012 翼型大迎角气动特性模拟
7.3.3 钝前缘三角翼涡破裂模拟
7.4 基于SSG/LRR-ω模型的不同尺度求解方法对比
7.4.1 基于RSM的不同尺度求解方法对塔形凸起物的模拟
7.5 本章小结
第八章 总结与展望
8.1 本文主要工作及创新点
8.2 存在的问题及工作展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果
附录 A 自由衰减均匀各向同性湍流
A.1 算例简介
A.2 傅立叶变换及初场的生成
A.2.1 傅立叶逆变换
A.2.2 初场的生成
A.2.3 傅立叶变换及快速傅立叶变换
A.3 数值格式的选择
A.4 湍流模型耗散参数的标定
A.4.1 SST-DES模型耗散参数标定
A.4.2 SSG/LRR-DES模型耗散参数标定
【参考文献】：
期刊论文
[1]CFD技术在航空工程领域的应用、挑战与发展[J]. 周铸,黄江涛,黄勇,刘刚,陈作斌,王运涛,江雄. 航空学报. 2017(03)
[2]雷诺应力模型的初步应用[J]. 董义道,王东方,王光学,邓小刚. 国防科技大学学报. 2016(04)
[3]应用加权紧致非线性格式的VFE-2钝前缘三角翼转捩模拟[J]. 王光学,王圣业,王东方,邓小刚. 国防科技大学学报. 2016(04)
[4]湍流转捩工程预报方法研究进展综述[J]. 张雯,刘沛清,郭昊,屈秋林. 实验流体力学. 2014(06)
[5]湍流模型离散精度对数值模拟影响的计算分析[J]. 王运涛,孙岩,王光学,张玉伦,李松. 航空学报. 2015(05)
[6]SST-SAS在小分离流动数值模拟中的表现测试[J]. 王翔宇,李栋. 西北工业大学学报. 2014(03)
[7]基于SA和SSTγ-■模型对边界层转捩预测的比较[J]. 张晓东,高正红,傅林. 航空计算技术. 2012(05)
[8]γ-Reθ转捩模型的标定研究[J]. 张玉伦,王光学,孟德虹,王运涛. 空气动力学学报. 2011(03)
[9]γ-Reθ转捩模型在二维低速问题中的应用[J]. 孟德虹,张玉伦,王光学,王运涛. 航空学报. 2011(05)
[10]湍流转捩模式研究进展[J]. 符松,王亮. 力学进展. 2007(03)
博士论文
[1]RANS/LES嵌入耦合方法研究[D]. 李钊.清华大学 2015
[2]不可压缩湍流大涡模拟研究[D]. 邓小兵.中国空气动力研究与发展中心 2008
本文编号：3174190
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：183 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
1.1 研究背景
1.2 湍流模型研究现状
1.2.1 RANS模型研究现状
1.2.2 混合RANS/LES方法研究现状
1.3 高精度有限差分格式研究现状
1.4 本文主要研究内容
第二章 控制方程及高精度数值方法
2.1 控制方程
2.1.1 笛卡尔坐标系下的NS方程
2.1.2 笛卡尔坐标系下NS方程的无量纲化
2.2 坐标变换
2.2.1 坐标变换
2.2.2 SCMM方法介绍
2.3 空间离散格式
2.3.1 WCNS-E6E5 格式
2.3.2 WCNS-E8T7 格式
2.3.3 粘性通量离散
2.4 时间推进方法
2.4.1 LU-SGS隐式时间推进
2.4.2 非定常双时间步法
2.5 边界条件
2.5.1 物面边界条件
2.5.2 远场边界条件
2.5.3 对称面边界条件
2.6 色散耗散分析
2.6.1 线性格式傅立叶分析
2.6.2 非线性格式的近似色散关系对比
2.7 本章小结
第三章 高精度WCNS格式的验证与确认
3.1 高精度方法验证与确认进展
3.1.1 欧盟的ADIGMA项目
3.1.2 高精度CFD方法国际研讨会
3.2 验证方法
3.2.1 有精确解算例的验证方法
3.2.2 无精确解算例的网格收敛性分析方法
3.2.3 计算花费统计方法
3.3 标准算例验证结果
3.3.1 二维光滑凸起流动
3.3.2 二维涡输运
3.3.3 二维平板层流边界层
3.3.4 三维层流三角翼
3.4 本章小结
第四章 高精度离散SST模型对比研究
4.1 可压缩RANS方程
4.2 SST模型高精度离散研究
4.2.1 SST模型
4.2.2 曲线坐标系下无量纲SST方程
4.2.3 SST模型数值求解
4.2.4 SST模型壁面边界处理
4.2.5 SST模型方程高精度离散验证
4.3 高精度SST-DES方法对比研究
4.3.1 DES类方法
4.3.2 NACA0021 翼型60 度大迎角分离模拟
4.4 本章小结
第五章 混合RANS/LES方法对比研究
5.1 混合RANS/LES方法框架
5.1.1 RANS方法到LES方法的过渡
5.1.2 混合RANS/LES方法控制方程
5.1.3 系综平均和滤波运算
5.1.4 雷诺平均脉动量和亚格子脉动量
5.2 混合RANS/LES框架的模化与求解
5.2.1 一阶矩混合RANS/LES模型
5.2.2 二阶矩混合RANS/LES模型
5.2.3 过渡函数
5.2.4 混合RANS/LES方程的简化
5.3 不同尺度求解方法之间的联系与差异
5.3.1 DES方法对比湍流量混合方法
5.3.2 SAS方法对比DES方法
5.4 不同尺度求解方法在高精度格式下的模拟能力对比
5.4.1 不同尺度求解方法对NACA0021 翼型的模拟
5.4.2 不同尺度求解方法对塔形凸起物的模拟
5.5 本章小结
第六章 基于转捩模型的高精度分离流动模拟
6.1 γ-Re_θ转捩模型
6.1.1 γ-Re_θ输运方程
6.1.2 γ-Re_θ转捩模型和SST模型的耦合
6.1.3 壁面边界条件
6.2 γ-Re_θ转捩模型的标定
6.2.1 经验关联函数的标定
6.2.2 T3 系列平板算例网格收敛性分析
6.3 高精度转捩模型在低速定常问题中的应用
6.3.1 S809 翼型
6.3.2 30 P-30N三段翼型
6.3.3 低速钝前缘三角翼
6.4 高精度转捩DES方法在非定常转捩/分离中的应用
6.4.1 基于γ-Reθ模型的高精度Tran-DDES方法
6.4.2 单圆柱转捩分离
6.4.3 圆柱-翼型干扰流动
6.5 横流效应对转捩的影响
6.5.1 基于γ-Re_θ转捩模型的静止横流转捩修正
6.5.2 NLF(2)-0415 后掠机翼
6.5.3 6 :1 标准椭球体
6.6 本章小结
第七章 基于雷诺应力模型的高精度分离流动模拟
7.1 SSG/LRR-ω模型
7.1.1 雷诺应力输运方程
7.1.2 比耗散方程
7.1.3 对雷诺应力方程的离散方法
7.1.4 高精度离散下雷诺应力模型验证
7.2 高精度SSG/LRR-ω模型在定常分离流动中的应用
7.2.1 NASA CW-22 跨声速涡轮叶片
7.2.2 NASA CRM翼身组合构型
7.2.3 NACA0012 半展长机翼翼梢涡
7.3 高精度SSG/LRR-DES类方法在非定常分离流动中的应用
7.3.1 SSG/LRR-DES类方法
7.3.2 NACA0012 翼型大迎角气动特性模拟
7.3.3 钝前缘三角翼涡破裂模拟
7.4 基于SSG/LRR-ω模型的不同尺度求解方法对比
7.4.1 基于RSM的不同尺度求解方法对塔形凸起物的模拟
7.5 本章小结
第八章 总结与展望
8.1 本文主要工作及创新点
8.2 存在的问题及工作展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果
附录 A 自由衰减均匀各向同性湍流
A.1 算例简介
A.2 傅立叶变换及初场的生成
A.2.1 傅立叶逆变换
A.2.2 初场的生成
A.2.3 傅立叶变换及快速傅立叶变换
A.3 数值格式的选择
A.4 湍流模型耗散参数的标定
A.4.1 SST-DES模型耗散参数标定
A.4.2 SSG/LRR-DES模型耗散参数标定
【参考文献】：
期刊论文
[1]CFD技术在航空工程领域的应用、挑战与发展[J]. 周铸,黄江涛,黄勇,刘刚,陈作斌,王运涛,江雄. 航空学报. 2017(03)
[2]雷诺应力模型的初步应用[J]. 董义道,王东方,王光学,邓小刚. 国防科技大学学报. 2016(04)
[3]应用加权紧致非线性格式的VFE-2钝前缘三角翼转捩模拟[J]. 王光学,王圣业,王东方,邓小刚. 国防科技大学学报. 2016(04)
[4]湍流转捩工程预报方法研究进展综述[J]. 张雯,刘沛清,郭昊,屈秋林. 实验流体力学. 2014(06)
[5]湍流模型离散精度对数值模拟影响的计算分析[J]. 王运涛,孙岩,王光学,张玉伦,李松. 航空学报. 2015(05)
[6]SST-SAS在小分离流动数值模拟中的表现测试[J]. 王翔宇,李栋. 西北工业大学学报. 2014(03)
[7]基于SA和SSTγ-■模型对边界层转捩预测的比较[J]. 张晓东,高正红,傅林. 航空计算技术. 2012(05)
[8]γ-Reθ转捩模型的标定研究[J]. 张玉伦,王光学,孟德虹,王运涛. 空气动力学学报. 2011(03)
[9]γ-Reθ转捩模型在二维低速问题中的应用[J]. 孟德虹,张玉伦,王光学,王运涛. 航空学报. 2011(05)
[10]湍流转捩模式研究进展[J]. 符松,王亮. 力学进展. 2007(03)
博士论文
[1]RANS/LES嵌入耦合方法研究[D]. 李钊.清华大学 2015
[2]不可压缩湍流大涡模拟研究[D]. 邓小兵.中国空气动力研究与发展中心 2008
本文编号：3174190
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