RANS/LES嵌入耦合方法研究
发布时间：2021-06-18 20:41
将RANS与LES结合起来发展非定常湍流模拟方法是当前条件下兼顾精度和效率的可行途径。本文对一种利用网格界面对RANS和LES进行显式分区并开展耦合计算的WE-RANS/LES方法进行了发展。从该方法的RANS部分、LES部分和耦合界面三个要素着手开展研究,使这一多时空尺度/多物理模型耦合的湍流模拟方法初步成型,并促使其向实际应用发展。改进并完善了程序平台NSAWET,通过改进时间推进方法、采用多重网格、改进MPI并行计算等手段改进计算效率,改进了程序框架使之能够适应高精度格式的需求。完善了窗口嵌入技术,实现了指定区域局部网格加密等。改进了压差及摩擦阻力的预测精度,为WE-RANS/LES方法的发展建立了良好的基础。在RANS部分,选择并研究了基于尺度自适应思想的k-kL模式,引入可实现性修正该模式改善了其计算稳健性。该模式改进了RANS计算对湍流流动的预测精度和能力,尤其是预测大范围分离的能力。将其应用于WE-RANS/LES方法中RANS区的非定常计算,可以用较小的计算代价捕捉大尺度非定常信息;并可提供流动尺度信息,有利于在RANS/LES界面构造人工湍流脉动。在LES部分,结合可...
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号对照表
第1章 引言
1.1 研究背景
1.2 精细湍流模拟方法的研究现状
1.2.1 湍流模拟方法分类及概述
1.2.2 第二代URANS方法
1.2.3 隐式大涡模拟方法
1.3 嵌入大涡模拟类方法的研究现状
1.3.1 ELES的特点
1.3.2 近年的研究应用进展
1.3.3 RANS/LES嵌入耦合方法
1.4 人工湍流脉动构造方法的研究现状
1.4.1 一般流程
1.4.2 均匀各向同性湍流的构造
1.4.3 进展和评价
1.5 本文的章节安排
第2章 研究基础：NSAWET计算程序及改进
2.1 NSAWET计算程序概述
2.1.1 控制方程
2.1.2 数值方法和湍流模式
2.1.3 窗口嵌入计算技术
2.2 NSAWET计算程序的发展
2.2.1 无矩阵LU-SGS方法
2.2.2 完全多重网格方法
2.2.3 基于MPI的分区并行策略的改进
2.3 阻力预测性能的验证与改进
2.3.1 广义Richardson外插方法
2.3.2 压差阻力预测
2.3.3 摩擦阻力预测
2.3.4 三维CRM翼身组合体的阻力预测精度分析
2.4 实现RANS/LES嵌入耦合的思路
第3章 基于k-kL两方程模式的 2G-URANS模拟
3.1 k-kL两方程模式
3.1.1 模式方程
3.1.2 可实现性修正
3.1.3 可实现性修正的影响
3.2 k-kL模式在定常问题中的应用
3.2.1 二维Sajben跨音速扩压器
3.2.2 NACA0012半展长机翼梢涡
3.2.3 三维CRM翼身组合体
3.3 k-kL模式在非定常分离流动中的应用
3.3.1 周期山算例描述
3.3.2 二维定常计算
3.3.3 三维非定常计算
3.4 本章小结
第4章 基于MDCD/SLAU格式的隐式大涡模拟
4.1 MDCD/SLAU数值格式
4.1.1 MDCD格式
4.1.2 SLAU格式
4.1.3 数值特性的验证
4.2 简单流动的大涡模拟
4.2.1 不可压缩均匀各向同性湍流
4.2.2 Taylor-Green涡
4.2.3 可压缩均匀各向同性湍流
4.3 内流问题的大涡模拟
4.3.1 算例描述
4.3.2 平面槽道湍流的计算结果
4.3.3 周期山分离流动的计算结果
4.4 亚临界圆柱绕流的大涡模拟
4.4.1 算例描述
4.4.2 Re_D=2580的计算结果
4.4.3 数值耗散和数值色散的影响
4.4.4 Re_D=3900的计算结果
4.5 本章小结
第5章 嵌入耦合的实现与验证
5.1 WE-RANS/LES的耦合界面条件
5.1.1 嵌入耦合的基本过程
5.1.2 LES区边界的双向信息传递
5.1.3 RANS区边界的双向信息传递
5.2 一种近似符合湍流能谱的过滤法
5.2.1 现有人工湍流脉动构造方法
5.2.2 统一形式的数值过滤器
5.2.3 在均匀各向同性湍流衰减问题中的验证
5.3 嵌入耦合的验证和应用
5.3.1 平面槽道湍流
5.3.2 OAT15A翼型绕流
5.3.3 周期山分离流动
5.4 本章小结
第6章 结论
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于冯卡门尺度的湍流模式在模拟稳态和非稳态流动问题中的应用[J]. 白俊强,王晨,张扬. 工程力学. 2014(11)
[2]A modified PANS model for computations of unsteady turbulence cavitating flows[J]. HU ChangLi,WANG GuoYu,CHEN GuangHao,HUANG Biao. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(10)
[3]On the use of the discontinuous Galerkin method for numerical simulation of two-dimensional compressible turbulence with shocks[J]. YU Jian,YAN Chao,JIANG ZhenHua. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(09)
[4]基于卡门尺度和滤波方法的SST方程改进[J]. 张扬,白俊强,华俊,鲁俊. 力学学报. 2013(03)
[5]Low dispersion finite volume scheme based on reconstruction with minimized dispersion and controllable dissipation[J]. WANG QiuJu,REN YuXin,SUN ZhenSheng,SUN YuTao. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2013(02)
[6]短舱扰流片对运输机增升装置气动特性的影响[J]. 张文升,陈海昕,张宇飞,符松,陈迎春,李亚林,周涛. 航空学报. 2013(01)
[7]Optimization of the MUSCL scheme by dispersion and dissipation[J]. LENG Yan1,LI XinLiang1*,FU DeXun2 & MA YanWen2 1 The State Key Laboratory of High-temperature Gas Dynamics(LHD),Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2 The State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics(LNM),Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2012(05)
[8]基于Richardson插值法的CFD验证和确认方法的研究[J]. 陈坚强,张益荣. 空气动力学学报. 2012(02)
[9]Simulation of shock wave buffet and its suppression on an OAT15A supercritical airfoil by IDDES[J]. HUANG JingBo 1,XIAO ZhiXiang 1,LIU Jian 1,2 & FU Song 1 1 School of Aerospace Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2 China Aerodynamics Research & Development Center,Mianyang 621000,China. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2012(02)
[10]一种实用的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化优化设计方法[J]. 张宇飞,陈海昕,符松,张淼,张美红,刘铁军. 航空学报. 2012(11)
本文编号：3237350
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号对照表
第1章 引言
1.1 研究背景
1.2 精细湍流模拟方法的研究现状
1.2.1 湍流模拟方法分类及概述
1.2.2 第二代URANS方法
1.2.3 隐式大涡模拟方法
1.3 嵌入大涡模拟类方法的研究现状
1.3.1 ELES的特点
1.3.2 近年的研究应用进展
1.3.3 RANS/LES嵌入耦合方法
1.4 人工湍流脉动构造方法的研究现状
1.4.1 一般流程
1.4.2 均匀各向同性湍流的构造
1.4.3 进展和评价
1.5 本文的章节安排
第2章 研究基础：NSAWET计算程序及改进
2.1 NSAWET计算程序概述
2.1.1 控制方程
2.1.2 数值方法和湍流模式
2.1.3 窗口嵌入计算技术
2.2 NSAWET计算程序的发展
2.2.1 无矩阵LU-SGS方法
2.2.2 完全多重网格方法
2.2.3 基于MPI的分区并行策略的改进
2.3 阻力预测性能的验证与改进
2.3.1 广义Richardson外插方法
2.3.2 压差阻力预测
2.3.3 摩擦阻力预测
2.3.4 三维CRM翼身组合体的阻力预测精度分析
2.4 实现RANS/LES嵌入耦合的思路
第3章 基于k-kL两方程模式的 2G-URANS模拟
3.1 k-kL两方程模式
3.1.1 模式方程
3.1.2 可实现性修正
3.1.3 可实现性修正的影响
3.2 k-kL模式在定常问题中的应用
3.2.1 二维Sajben跨音速扩压器
3.2.2 NACA0012半展长机翼梢涡
3.2.3 三维CRM翼身组合体
3.3 k-kL模式在非定常分离流动中的应用
3.3.1 周期山算例描述
3.3.2 二维定常计算
3.3.3 三维非定常计算
3.4 本章小结
第4章 基于MDCD/SLAU格式的隐式大涡模拟
4.1 MDCD/SLAU数值格式
4.1.1 MDCD格式
4.1.2 SLAU格式
4.1.3 数值特性的验证
4.2 简单流动的大涡模拟
4.2.1 不可压缩均匀各向同性湍流
4.2.2 Taylor-Green涡
4.2.3 可压缩均匀各向同性湍流
4.3 内流问题的大涡模拟
4.3.1 算例描述
4.3.2 平面槽道湍流的计算结果
4.3.3 周期山分离流动的计算结果
4.4 亚临界圆柱绕流的大涡模拟
4.4.1 算例描述
4.4.2 Re_D=2580的计算结果
4.4.3 数值耗散和数值色散的影响
4.4.4 Re_D=3900的计算结果
4.5 本章小结
第5章 嵌入耦合的实现与验证
5.1 WE-RANS/LES的耦合界面条件
5.1.1 嵌入耦合的基本过程
5.1.2 LES区边界的双向信息传递
5.1.3 RANS区边界的双向信息传递
5.2 一种近似符合湍流能谱的过滤法
5.2.1 现有人工湍流脉动构造方法
5.2.2 统一形式的数值过滤器
5.2.3 在均匀各向同性湍流衰减问题中的验证
5.3 嵌入耦合的验证和应用
5.3.1 平面槽道湍流
5.3.2 OAT15A翼型绕流
5.3.3 周期山分离流动
5.4 本章小结
第6章 结论
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于冯卡门尺度的湍流模式在模拟稳态和非稳态流动问题中的应用[J]. 白俊强,王晨,张扬. 工程力学. 2014(11)
[2]A modified PANS model for computations of unsteady turbulence cavitating flows[J]. HU ChangLi,WANG GuoYu,CHEN GuangHao,HUANG Biao. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(10)
[3]On the use of the discontinuous Galerkin method for numerical simulation of two-dimensional compressible turbulence with shocks[J]. YU Jian,YAN Chao,JIANG ZhenHua. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(09)
[4]基于卡门尺度和滤波方法的SST方程改进[J]. 张扬,白俊强,华俊,鲁俊. 力学学报. 2013(03)
[5]Low dispersion finite volume scheme based on reconstruction with minimized dispersion and controllable dissipation[J]. WANG QiuJu,REN YuXin,SUN ZhenSheng,SUN YuTao. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2013(02)
[6]短舱扰流片对运输机增升装置气动特性的影响[J]. 张文升,陈海昕,张宇飞,符松,陈迎春,李亚林,周涛. 航空学报. 2013(01)
[7]Optimization of the MUSCL scheme by dispersion and dissipation[J]. LENG Yan1,LI XinLiang1*,FU DeXun2 & MA YanWen2 1 The State Key Laboratory of High-temperature Gas Dynamics(LHD),Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2 The State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics(LNM),Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2012(05)
[8]基于Richardson插值法的CFD验证和确认方法的研究[J]. 陈坚强,张益荣. 空气动力学学报. 2012(02)
[9]Simulation of shock wave buffet and its suppression on an OAT15A supercritical airfoil by IDDES[J]. HUANG JingBo 1,XIAO ZhiXiang 1,LIU Jian 1,2 & FU Song 1 1 School of Aerospace Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2 China Aerodynamics Research & Development Center,Mianyang 621000,China. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2012(02)
[10]一种实用的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化优化设计方法[J]. 张宇飞,陈海昕,符松,张淼,张美红,刘铁军. 航空学报. 2012(11)
本文编号：3237350
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/jckxbs/3237350.html
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