[发明专利]一种新型局部湍流脉动生成方法

说明书

本发明公开了一种新型局部湍流脉动生成方法，包括以下步骤：S1、在下游区抽取二维速度脉动；S2、通过雷诺平均方法求解得到湍动能分布；S3、采用湍动能分布对抽取的二维速度脉动作规整化处理，生成湍流脉动。本发明能够得到更为准确的脉动相干结构，从而避免了下游脉动衰减，提高了求解效率；相比循环重标定方法，本发明不需要依赖于边界层相似关系，从而不仅可以应用到平板边界层，还能够应用于较为一般的外形。

技术领域

本发明涉及计算流体力学技术领域，具体涉及一种新型局部湍流脉动生成方法。

背景技术

计算流体力学(CFD)是流体力学、计算数学、计算机的交叉学科，采用计算机对流体动力学方程进行模拟，获得流体运动的力、热、频率等信息，从而为相关工业设计提供数据支持。随着计算机技术的发展，计算流体力学在航空航天、交通运输、化工、机械、能源等领域正发挥着越来越重要的作用。

流体流动分为层流和湍流两种状态。实际的流动基本都是湍流，或至少包含部分湍流。准确预测流体运动的关键是湍流模拟技术。当前的湍流模拟技术包括：雷诺平均方程(RANS)方法，大涡模拟(LES)方法和直接数值模拟(DNS)方法。其中，雷诺平均方法对计算资源需求较少，但准度较低。直接数值模拟方法准度最高，但计算开销极大，目前主要局限于简单的学术问题。大涡模拟方法能够以远低于直接数值模拟的开销得到较为准确的复杂非定常湍流统计信息，被认为是下一代的工程湍流模拟技术。

大涡模拟方法的不足之处是在壁面附近仍然需要极大的计算开销。目前工程上较为流行的湍流数值模拟方法是LES/RANS混合方法。该方法在壁面附近采用雷诺平均方法，而在远离壁面的自由湍流中采用大涡模拟，从而将两种方法各自的优点结合起来，扬长避短，能够以目前的计算能力大大提升复杂湍流的模拟准度，正在迅速渗透到各个设计部门，解决了许多之前难以处理的复杂湍流问题。

湍流大涡模拟方法的基本思想是对流场中大于网格尺度的可分辨尺度流动(“大涡”)采用控制方程直接计算求解，而对小于网格尺度的亚格子尺度流动(“小涡”)采用亚格子尺度模型模拟。湍流大涡模拟所求得的流场中包含了丰富的湍流脉动结构。这些湍流脉动结构不是随机的，是湍流动力学演化产生的自组织相干结构。现有研究表面，随机脉动在数值模拟的过程中往往在几个网格长度的距离内就迅速衰减，而湍流相干结构产生的脉动则可以维持较长的生命周期。

在许多情况下，需要在计算流场中生成湍流脉动，以代替产生这些脉动的、开销极大的上游流动演化模拟。例如，当所研究的问题集中在对局部非定常湍流脉动的刻画，则可以仅对所关心的流场采用较为昂贵的大涡模拟，而起源区域采用定常模拟技术(如湍流雷诺平均)。然而，局部非定常湍流演化，受到上游湍流脉动输入的强烈影响。在此种情形下，就需要人工生成湍流脉动，以代替对上游较长距离的湍流结构生成和演化的模拟。

现有的湍流脉动生成方法包括：随机脉动方法，人造涡方法，以及循环重标定方法。其中随机脉动方法是通过生成随机扰动来代替湍流脉动，如前所述，这种方法生成的湍流脉动缺乏相干结构，会迅速衰减，很不理想。人造涡方法是通过生成一系列涡结构来代替湍流脉动，这个方法比随机脉动衰减慢，但鉴于目前湍流相干结构知识的匮乏，与真实湍流脉动之间差别仍然很大。循环重标定方法是将下游速度脉动抽取出来，按照湍流平板边界层相似关系变换后作为新的湍流脉动。这种方法的湍流脉动是在一个近似周期的循环过程中自动生成，其湍流脉动生成所依赖的动力学机制与真实湍流是一致的，因而与真实湍流脉动最为接近。循环重标定方法的缺点是需要依赖边界层相似关系，在较为一般的问题中难以应用。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种新型局部湍流脉动生成方法解决了现有的湍流脉动生成方法生成的湍流脉动与真实湍流脉动之间差别很大的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种新型局部湍流脉动生成方法，包括以下步骤：

S1、在下游区抽取二维速度脉动；

S2、通过雷诺平均方法求解得到湍动能分布；