[发明专利]不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法在审

专利信息
申请号: 201410480314.6 申请日: 2014-09-18
公开(公告)号: CN104239640A 公开(公告)日: 2014-12-24
发明(设计)人: 肖锋;王振国;孙明波;李清廉;梁剑寒;赵玉新 申请(专利权)人: 中国人民解放军国防科学技术大学
主分类号: G06F17/50 分类号: G06F17/50
代理公司: 北京康信知识产权代理有限责任公司 11240 代理人: 吴贵明;张永明
地址: 410073 湖*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 不可 压流大涡 模拟 湍流 入口 条件 生成 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及空气动力设计领域,具体而言,涉及一种不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法。

背景技术

在吸气式发动机燃烧室里,湍流决定着燃料的混合与燃烧,对发动机的性能有着重要影响。随着计算机计算速度的提高和数值计算方法的发展,流体计算力学在燃烧室内流动和燃烧研究方面起了巨大的推动作用。在20世纪,由于计算能力的限制,雷诺平均方法在工程应用的流体计算领域占据着绝对的主导地位。雷诺平均方法只计算速度场和标量场的时均值,并模化湍流运动对时均速度场和时均标量场的影响。然而,雷诺平均模型无法准确地预测涡结构对燃料输运混合的影响,导致计算结果相对于试验结果误差较大。在21世纪,大涡模拟得到了越来越广泛的应用,大涡模拟直接求解大尺度涡结构,模化小尺度涡结构对流动和混合的影响。因为燃料的混合主要由大涡运动控制,因此大涡模拟可以更准确地预测燃料混合和燃烧过程。

大涡模拟中,入口条件明显地影响下游的发展,真实的湍流入口条件是准确预测下游流场的必要条件。

为了生成湍流入口条件,发展了很多方法,主要可分为两大类:合成式湍流生成方法和循环式湍流生成方法。

最简单的合成式湍流生成方法是在假设的或已知的平均速度上叠加白噪声。然而,由于白噪声的不相关性,所生成的脉动缺乏有序的大尺度结构,导致这些脉动在入口下游很快地耗散了,需要很长的过渡区域恢复真实的自相关湍流结构。在更先进的合成式湍流生成方法中,入口处的一些湍流统计信息被用来生成所需时变速度场,例如对给定的湍动能能量谱进行反傅里叶变换;数字滤波,给定湍流尺度和自相关函数,通过调整系数来满足给定的速度平均值和脉动值。所有的合成式湍流生成方法有两个缺点:需要一定长度的过渡区域来得到真实的湍流;大多数先进的方法需要给定苛刻的湍流信息,如湍流尺度和自相关函数。

建立在循环技术上的湍流生成方法可以避免上面两个问题。这种方法首先被用于充分发展的管道流动,在入口和出口采用周期边界条件。后来,循环技术通过坐标变换用于空间发展边界层的直接数值模拟,变换后的流场在主流方向上接近同性(即没有变化),使用周期边界条件。为了避免复杂的坐标变换,Lund et al发展了一种更简单的循环/调制方法,将下游某一特定平面的瞬时速度场根据边界层自相似法则调制,作为计算域入口的边界条件。上面这几种循环式湍流生成方法局限于边界层。Pierce通过调制整个计算区域,使得这种循环式湍流生成方法适合于为任何平行流动或缓慢发展流动提供湍流入口条件。通过这种方法调制后的流场在主流方向上同性且满足指定速度平均值和脉动值,可将下游某一特定平面的瞬时速度场直接循环作为计算域入口的边界条件。

Pierce的循环/调制方法在计算速度平均值和脉动值时只采用了一个方向上的空间平均,因此计算误差较大,难以保证最终生成的湍流达到足够的真实度。

发明内容

本发明旨在提供一种不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法,计算精度高,能够为真实湍流提供精确的湍流入口。

为了实现上述目的,本发明提供了一种不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法,包括:在主计算区域入口上游创建入口条件生成区域,入口条件生成区域的出口处的湍流速度场为主计算区域的入口条件;根据入口条件生成区域出口处的湍流速度场通过循环技术来确定入口条件生成区域的入口条件;对入口条件生成区域的速度场进行循环调制,使入口条件生成区域出口处的湍流速度场满足给定的主计算区域入口速度平均值和脉动值。

进一步地,入口条件生成区域的展向和壁面垂直方向的尺寸与主计算区域一致,且该入口条件生成区域的流向方向尺寸使得入口条件生成区域在流向方向上的入口端和出口端的速度相关性为零。

进一步地,确定入口条件生成区域的入口条件的步骤包括:对入口条件生成区域在流动同性方向上采用均匀网格,以保证调制过程中对流场作用的均匀性和空间过滤影响的均匀性。

进一步地,在对入口条件生成区域的速度场进行循环调制的步骤之前还包括:初始化入口条件生成区域和主计算区域的速度场;在平均速度上叠加强度为u′target(y)的白噪声,在平均速度上叠加强度为v′target(y)的白噪声,在平均速度上叠加强度为w′target(y)的白噪声。

进一步地,对入口条件生成区域的速度场进行循环调制的步骤包括:在入口条件生成区域和主计算区域上同时进行数值计算,每k个时间步调制一次入口条件生成区域的速度场。

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