复杂流动分离涡模拟方法的研究

123456aa · 发表于 2022-4-8 09:47:09

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雅宝题库解析：
雷诺平均N-S方程（RANS）模拟方法能够准确地模拟近壁附着流动和小分离流动，但不能准确模拟大范围的分离流动；大涡模拟（LES）方法能够较准确地模拟大分离流动，但是其模拟大雷诺数分离流动时对网格量要求很高，难以满足工程应用的需要。20世纪末，学者们为了更好地模拟大分离流动，提出了一种新的数值模拟方法——RANS/LES混合模拟方法。其中最有代表性的，且得到深入研究和广泛应用的，是由Spalart等人提出的分离涡模拟方法,简称DES（detached-eddy simulation）,其升级版本为DDES(delayed detached-eddy simulation)。本文程序实现了基于S-A湍流模型的DES方法和DDES方法，并用RANS、DES、DDES方法对三维圆柱绕流、平板绕流、NACA0012翼型绕流、NLR7301两段翼型绕流进行了数值模拟。RANS计算结果和实验相差较大，而分离涡方法的数值模拟结果和实验值吻合良好。说明了本文建立的分离涡模拟方法比RANS方法能更好地模拟大分离流动；另外，该方法对大分离流动的数值模拟能力达到了LES的水平，网格需求量却远少于LES的网格量，很大程度上避免了LES方法计算高雷诺数流动时对网格要求苛刻的情况。在对平板绕流的数值模拟中，DES方法表现出网格敏感性。当边界层内网格过分加密时，DES会在边界层内执行大涡模拟模式，从而导致计算出的涡粘性系数大大降低，即所谓的模型应力损耗现象。DDES方法由于加入了延迟控制函数，能够保证其在边界层内执行雷诺平均模式，有效地避免了模型应力损耗题目。在边界层网格不是极端密的情况下，如本文中的NACA0012翼型绕流，DES和DDES方法计算出的统计时均值几乎相同，且和实验值吻合良好。显式推进不适合用来进行非定常计算。为此，本文编写了基于隐式推进的双时间步方法，使得分离涡模拟方法能够快速高效的进行迭代推进。经过本文算例的验证，本文编写的基于隐式的双时间步推进方法能够快速准确地进行非定常流动的计算。另外，本文借助于北京航空航天大学国家计算流体力学实验室的并行机群，利用MPI并行语言，将串行的求解器发展成为并行，并以圆柱绕流为验证算例进行数值模拟。数值模拟结果显示，本文的求解器成功实现了并行计算，为今后进一步开展复杂流动数值模拟打下了良好的基础。

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