基于能量比系數(shù)的大渦模擬網(wǎng)格尺度應(yīng)用研究.pdf

1、隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，湍流流動(dòng)問題的研究不斷深入，湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也逐漸細(xì)化，對(duì)于工程湍流流動(dòng)問題的分析預(yù)測(cè)也就提出了更高的要求。大渦模擬方法是在當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)上，能對(duì)湍流流動(dòng)進(jìn)行較精確預(yù)測(cè)的有效手段之一，可以得到相對(duì)多的湍流渦結(jié)構(gòu)相互作用的信息。大渦模擬基于渦相干結(jié)構(gòu)，采用介于直接數(shù)值模擬和基于湍流模型數(shù)值模擬之間的網(wǎng)格尺度進(jìn)行流場(chǎng)分析，并未達(dá)到直接數(shù)值模擬所需要的網(wǎng)格數(shù)，與基于湍流模型的數(shù)值模擬所需要的網(wǎng)格數(shù)相比，大渦

2、模擬中網(wǎng)格數(shù)可能會(huì)多1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣的網(wǎng)格數(shù)目在進(jìn)行復(fù)雜流動(dòng)空間如葉柵通道計(jì)算時(shí)，可能會(huì)因網(wǎng)格數(shù)過多而大幅提高計(jì)算成本?，F(xiàn)在并未有根據(jù)湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)來確定網(wǎng)格尺度的可靠算法。能量比系數(shù)，定義為慣性子區(qū)和耗散區(qū)湍動(dòng)能之和在總湍動(dòng)能中所占的比例，可基于湍流流動(dòng)控制方程，結(jié)合Karman-Howarth方程得到其表達(dá)式。
　　本課題依據(jù)工程流動(dòng)問題中湍流能量比系數(shù)取值范圍，研究了不同湍流流場(chǎng)大渦模擬的網(wǎng)格尺度；對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與非定常

3、雷諾時(shí)均方程求解結(jié)果，進(jìn)行了湍流渦結(jié)構(gòu)的分析，具體研究工作如下：
　　首先對(duì)能量比系數(shù)進(jìn)行理論分析，結(jié)合Navier-Stokes方程得到其量值規(guī)律；進(jìn)而分別對(duì)雷諾數(shù)Re=3000和Re=20000單列圓柱柵繞流的流動(dòng)進(jìn)行分析，由能量比系數(shù)確定適宜于大渦模擬的網(wǎng)格尺度，分別對(duì)比了非定常湍流模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果、大渦模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，在湍流流場(chǎng)區(qū)域能量比系數(shù)達(dá)到30%～40%的情況下，大渦模擬所得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，優(yōu)于非定常

4、湍流模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了大渦模擬所得到的湍流流場(chǎng)中渦結(jié)構(gòu)發(fā)展規(guī)律，以及不同渦結(jié)構(gòu)間對(duì)流、擴(kuò)散和耗散機(jī)制。
　　將繞圓柱柵流動(dòng)的研究成果應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)葉柵通道小流量工況下流動(dòng)的大渦模擬，由非定常湍流模型模擬得到網(wǎng)格比系數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行適宜的網(wǎng)格加密，對(duì)該工況下流道不同位置上的渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為葉輪機(jī)械內(nèi)部非穩(wěn)定湍流流動(dòng)研究和擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)的提出奠定了一定的基礎(chǔ)。
　　通過能量比系數(shù)的分析與相應(yīng)工程問題的研究應(yīng)用，可以確