分離渦方法對(duì)梢渦中脈動(dòng)量的數(shù)值模擬

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1、上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文分離渦方法對(duì)梢渦中脈動(dòng)量的數(shù)值模擬碩士研究生：姬亞鵬學(xué)號(hào)：1120109022導(dǎo)師：薛雷平教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)碩士學(xué)科：流體力學(xué)所在單位：船舶海洋與建筑工程學(xué)院答辯日期：2014年05月27日授予學(xué)位單位：上海交通大學(xué)I萬(wàn)方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterDETACHED-EDDYSIMULATIONOFFLUCTUATION

2、INWINGTIPVORTEXCandidate：JIYa-pengStudentID:1120109022Supervisor：Prof.XUELei-pingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：FluidMechanicsSchoolofNavalArchitecture,OceanAffiliation：andCivilEngineeringAffiliation：SchoolofNavalArchitecture,Ocea

3、nDateofDefence：andCivilEngineering2014-05-27Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversityII萬(wàn)方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文III萬(wàn)方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文IV萬(wàn)方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文V萬(wàn)方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文分離渦方法對(duì)梢渦中脈動(dòng)量的數(shù)值模擬摘要分離渦方法是由Spalart在1997年提出的一種混合的湍流模擬方法,簡(jiǎn)稱DES。這種方法的基本思想是:在靠近邊界層的區(qū)域使用

4、RANS方法，在大量分離產(chǎn)生的區(qū)域使用LES方法，它使用與網(wǎng)格尺度相關(guān)的長(zhǎng)度尺度來(lái)進(jìn)行判斷，自動(dòng)進(jìn)行模擬方法的轉(zhuǎn)換。這樣既避免了LES方法在邊界層內(nèi)的巨大計(jì)算開(kāi)銷，又能夠在邊界層外的LES區(qū)得到較為準(zhǔn)確的瞬態(tài)流場(chǎng)和脈動(dòng)信息。梢渦是一種比較復(fù)雜的流動(dòng)，它在有限展長(zhǎng)翼的端部形成，在三個(gè)方向均有很強(qiáng)的速度和壓力梯度，因而能產(chǎn)生比較強(qiáng)的脈動(dòng)；另外，實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，梢渦在偏下游的地方有振蕩現(xiàn)象，梢渦的振蕩能產(chǎn)生額外的脈動(dòng)。由于DES方法結(jié)合了RANS和LES方法，既能較好地得到脈動(dòng)量信息，又可以在邊界層內(nèi)節(jié)省很大

5、的計(jì)算量。因此本文使用DES方法作為湍流模擬方法進(jìn)行研究。本文分別使用RANS方法和DES方法對(duì)多種梢渦模型進(jìn)行了模擬計(jì)算。比較了不同模擬方法計(jì)算結(jié)果的差異，以及網(wǎng)格密度對(duì)平均量和脈動(dòng)量計(jì)算結(jié)果的影響，最后比較了雷諾數(shù)、來(lái)流攻角對(duì)梢渦計(jì)算結(jié)果的影響。首先用RANS-SA方法和DES方法（RANS部分為SA模型）對(duì)平板十度攻角梢渦模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，使用了三套不同密度的網(wǎng)格。通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和渦量場(chǎng)的分析，得到了不同網(wǎng)格密度和不同模擬方法所計(jì)算結(jié)果的差異。結(jié)果顯示，網(wǎng)格密度對(duì)梢渦計(jì)算的有一定的影響，網(wǎng)

6、格密度越大，梢渦的強(qiáng)度越大，保持性越好。對(duì)于不同的模擬方法而言，DES方法能夠更好地得到流動(dòng)的三維細(xì)小結(jié)構(gòu)，所得梢渦強(qiáng)度的保持性也優(yōu)于RANS方法。在之前對(duì)梢渦模擬的基礎(chǔ)上，用RANS-SA方法和DES方法（RANS部分為SA模型）對(duì)翼端為圓形的NACA0012十度攻角梢渦模型進(jìn)行了模擬，模擬的雷諾數(shù)5為1.24×10，并在梢渦區(qū)域進(jìn)行了八叉樹(shù)加密，以比較網(wǎng)格密度對(duì)脈動(dòng)量計(jì)算的影響。計(jì)算結(jié)果表明，相比于RANS-SA方法，DES方法所得的結(jié)果更接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果；網(wǎng)格密度對(duì)平均量有一定的影響，但不是很大,對(duì)

7、脈動(dòng)量的計(jì)算則有量級(jí)的影響；網(wǎng)格加密后計(jì)算所得速度脈動(dòng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍有一定的差距，約為實(shí)驗(yàn)值的1/2左右；另外，數(shù)值模擬并沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的梢渦的振蕩現(xiàn)象。隨后用DES方法（RANS部分為Realizablek-ε模型）對(duì)翼端為矩形的125度攻角下的NACA0012翼型進(jìn)行了數(shù)值模擬，雷諾數(shù)為5×10。為了更準(zhǔn)確地捕捉脈動(dòng)量，對(duì)梢渦區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了兩次加密，網(wǎng)格密度更大。計(jì)算結(jié)果顯示，網(wǎng)格密度對(duì)脈動(dòng)量的影響非常大，脈動(dòng)量主要產(chǎn)生于剪切層，并被帶入二次渦及三次渦中，之后往吸力面流動(dòng)融入初始渦之中，融合之

8、后脈動(dòng)量逐漸減小；瞬時(shí)脈動(dòng)和脈動(dòng)均方根值的分布有很大差別，脈動(dòng)的瞬時(shí)峰值與均方根峰值也相差很大；近尾緣處的脈動(dòng)有很強(qiáng)的各向異性，越往下游發(fā)展，脈動(dòng)越趨于各向同性。VI萬(wàn)方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，計(jì)算所得下游1/4倍弦長(zhǎng)處的平均流向速度峰值與實(shí)驗(yàn)值很接近，湍動(dòng)能峰值與實(shí)驗(yàn)值相比的誤差為12%。最后，對(duì)兩種相似工況下的流動(dòng)進(jìn)行了模擬，比較了雷諾數(shù)、來(lái)流攻角對(duì)梢渦平均量以及脈動(dòng)量計(jì)算結(jié)果的影響。結(jié)果顯示，同一網(wǎng)格尺度下，高雷諾