資源描述：
《轉(zhuǎn)捩流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算研究楊中》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)編號(hào):092019中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文轉(zhuǎn)抿流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算研究楊中1,2徐建中】1.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京1001902.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049(電話：010-82543039Emo訂：yangzhong@ma訂.etp.ac.cn)摘要：本文通過求解雷諾平均NS方程，采用基于k-3湍流模型和添加控制轉(zhuǎn)按的層流動(dòng)能輸運(yùn)方程計(jì)算轉(zhuǎn)按流動(dòng)。和對(duì)于基于實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)按關(guān)系式模型,本模型對(duì)葉輪機(jī)械復(fù)雜的流動(dòng)環(huán)境提供了更加克實(shí)的物理意義。而且模型屮沒有使用基于諸如邊界層甲度這樣的非局部變量，使得它特別適合現(xiàn)代
2、CFD代碼。計(jì)算使用Fluent求解器，采用UDS求解三方程湍流模型。計(jì)算了ERCOFTACT3系列實(shí)驗(yàn)和低壓渦輪葉柵流動(dòng)，一系列算例的計(jì)算表明該模型能夠口動(dòng)捕捉流動(dòng)的轉(zhuǎn)按過程，但還需耍進(jìn)一步修正以能更加準(zhǔn)確考慮各種因素對(duì)轉(zhuǎn)按的影響。。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)按；湍流模型；CFDo0前言邊界層的層流■湍流轉(zhuǎn)按對(duì)于燃?xì)鉁u輪的性能有非常重要的影響。在許多流動(dòng)條件下，雖然主流區(qū)為高度湍流狀態(tài)，但是大部分邊界層處于層流或者轉(zhuǎn)按狀態(tài)。邊界層轉(zhuǎn)按將導(dǎo)致壁面摩擦力和傳熱量急劇增加。同時(shí)，轉(zhuǎn)扌戾過程還對(duì)葉片表面邊界層的分離狀態(tài)產(chǎn)生決定性的影響，比如在低壓渦輪的吸力面將
3、發(fā)生的分流、轉(zhuǎn)採等復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。在燃?xì)鉁u輪流動(dòng)中通常有三類轉(zhuǎn)按模式：自然轉(zhuǎn)按、強(qiáng)制轉(zhuǎn)按和分離流動(dòng)轉(zhuǎn)按[1]。來流湍流、壓力梯度、葉片表里粗糙度和曲率等諸多因素可以影響轉(zhuǎn)按的發(fā)展，因此對(duì)燃?xì)鉁u輪中的轉(zhuǎn)按流動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確建模是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在過去的幾十年內(nèi)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)經(jīng)歷了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前己經(jīng)到達(dá)相當(dāng)成熟的階段。對(duì)于大多數(shù)工程問題CFD能夠冇效地提供足夠精確的數(shù)值解。雷諾平均的Navier-Stokes方程方法(RANS)可以為不同復(fù)雜程度的完全層流和湍流提供足夠精確的結(jié)果，從而成為氣動(dòng)設(shè)計(jì)必不可少的工具。然而RANS方法
4、對(duì)于轉(zhuǎn)按流動(dòng)的計(jì)算還不能提供滿意的結(jié)杲。直接數(shù)值模擬和人渦模擬由于包含了更多的物理機(jī)制和能夠捕捉更多的流動(dòng)尺度，在轉(zhuǎn)流預(yù)測(cè)方面具有優(yōu)勢(shì)[2][3],然而對(duì)于工程設(shè)計(jì)來說，它們的計(jì)算量過于龐大導(dǎo)致目前只能作為研究工具用于低雷諾數(shù)和具有相対簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)的流動(dòng)中。在RANS方法的框架內(nèi)有兩類常用的方法用于轉(zhuǎn)採流動(dòng)的預(yù)測(cè)。第一類是使用基于實(shí)驗(yàn)的關(guān)系式。這類方法的通常關(guān)聯(lián)動(dòng)量厚度雷諾數(shù)與當(dāng)?shù)刈杂闪鳁l件，比如湍流強(qiáng)度和壓力梯度。然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)關(guān)系式把動(dòng)量厚度雷諾數(shù)用于預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)按的開始位置，一旦確定轉(zhuǎn)按位置后啟動(dòng)湍流模型用于之后的湍流計(jì)算。這類方法中Abu
5、-Ghannam&Shaw[4]和Mayle[l]關(guān)系式得到了廣泛的使用，它們都來自于大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。這些模型比餃容易校核，而只對(duì)于捕捉主要的物理作用通常能夠提供足夠精確的結(jié)果。然而這類模型一般都需要用到邊界層的積分厚度和邊界層外部的流動(dòng)信息，通常給RANS計(jì)算方法帶來不便。因?yàn)樵趶?fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象中特別是有分離的條件下邊界層的邊沿不易于定義，而且積分厚度的計(jì)算需要使用基于非局部流動(dòng)變量從而需要使用查找算法。同時(shí)實(shí)驗(yàn)關(guān)系式和積分厚度實(shí)際上是二維的概念，對(duì)于具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的三維流動(dòng)這些概念就不一定適用。所以這類方法與現(xiàn)代基于RANS的CFD算
6、法不相容。第二類方法是應(yīng)用低雷諾數(shù)的湍流模型，這些模型的計(jì)算不需要非局部的計(jì)算用來對(duì)邊界層內(nèi)進(jìn)行積分，因此易于在現(xiàn)有的CFD代碼中實(shí)施。自從Jones&Launder[5]提出低雷諾數(shù)湍流模型的概念以來，陸續(xù)出現(xiàn)了許多不同這類模型，它們大多數(shù)都是基于k?￡湍流模型。然而，這些模型的轉(zhuǎn)採預(yù)測(cè)能力受到了質(zhì)疑，因?yàn)閷?duì)阻尼兩數(shù)的校核是基于粘性底層的特性，而非層流■湍流的轉(zhuǎn)採機(jī)理。也冇幾個(gè)模型的建立據(jù)稱考慮到了轉(zhuǎn)按的機(jī)理，比如Wilcox的k-3模型[6]。顯然，到日前還沒有一個(gè)低雷諾數(shù)的湍流模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)按的開始以及其后的發(fā)展。如Savil
7、l[7]所述，如果不釆用特別的修正這些模型通常把轉(zhuǎn)按的開始點(diǎn)預(yù)測(cè)得A早，而且不能準(zhǔn)確模擬來流湍流和壓力梯度等因素的影響。Walters&Leylek[8]提出了一個(gè)基于轉(zhuǎn)採前速度波動(dòng)的轉(zhuǎn)採模型。這一思想來源于Mayle&Schulz[9],他們使用一個(gè)輸運(yùn)方程來描述轉(zhuǎn)採前的層流流動(dòng)屮的動(dòng)能。轉(zhuǎn)扌戾的開始和發(fā)展通過層流波動(dòng)能來控制而不使用任何非局部的參數(shù)。層流動(dòng)能通過與湍流動(dòng)能和比耗散率方程結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)三方程的湍流模型。本文使用此模型來計(jì)算ERCOFTACHOJ有壓力梯度和無壓力梯度的平板流動(dòng)的強(qiáng)制轉(zhuǎn)採，同時(shí)還計(jì)算了T106線性渦輪葉柵內(nèi)
8、的分離流動(dòng)轉(zhuǎn)按。1轉(zhuǎn)扌戾模型D(冰7)Dt=pPKT+pR-p(okT-pDT(1)(2)本文用于計(jì)算的湍流模型為Walters&Leylekl8]提出的基于層流動(dòng)能方程的渦粘模型。此模型求解
