[发明专利]一种适用于气膜冷却的k-ωSST湍流模型增强掺混修正方法

说明书

本发明公开了一种适用于气膜冷却的k‑ωSST湍流模型增强掺混修正方法，所述k‑ωSST湍流模型增强掺混修正方法为通过掺混函数Csubgt;m/subgt;描述不同掺混程度区域的湍流粘性系数μsubgt;t/subgt;，进而通过湍流粘性系数μsubgt;t/subgt;完成两股流体不同掺混强度区域的修正，通过本发明方法提高了气膜冷却效率掺混区数值预测准确度。

技术领域

本发明属于航空发动机湍流模拟技术领域，尤其涉及一种针对气膜冷却的k-ωSST湍流模型增强掺混修正方法。

背景技术

航空发动机高温部件冷却技术中，气膜冷却是目前最常用的热防护技术。气膜冷却是通过壁面上的孔或缝把温度较低的气体冷却剂输送到需要热防护的壁面上，沿着高温气流的流向形成薄膜，这层薄膜把固体壁面与高温气流隔离开来，从而防止壁面因直接接触高温气流而超温损坏。在航空发动机燃烧室、涡轮和喷管等高温部件中，由于流动环境的巨大差异并且涉及到多种流动的掺混，气膜冷却区域的流动复杂程度高，热防护设计难度较大。气膜冷却效率η的定义如下：

其中T_r为高温气流的恢复温度，T_aw为紧贴壁面气流的绝热壁温，T_c为冷却剂气体的恢复温度。

在现代设计中由于实验成本较高通常使用计算流体力学的方法通过计算机模拟进行发动机气膜冷却的冷却设计，通过求解雷诺平均的Navier-Stokes方程和相应的湍流模型是目前最广泛使用的方法。然而k-ωSST湍流模型对掺混区湍流强度预测不足，造成预测的冷却剂覆盖情况偏离实际情况。发明专利(CN 110727996 B)公开了一种适用于动边界绕流的湍流模型修正方法，该发明专利使用滤波函数划分了漩涡区和非漩涡区用以修正湍流粘性系数，提高了一股流动的动边界绕流数值计算准确度，但该湍流模型仍然是一种两方程湍流模型，无法提高两股流动的气膜冷却掺混区的计算准确度，因此本发明提出了一种适用于气膜冷却的k-ωSST湍流模型增强掺混修正方法，额外增加一个标量输运方程用来区分两股流动，是一种三方程湍流模型。发明专利(CN 113158339 B)公开了一种针对SST湍流模型的湍流长度尺度修正方法，但其通过给比湍动能耗散率输运方程右侧添加源项来修正，该添加的源项不涉及两种流体的掺混，因此无法区分气膜冷却的掺混区与非掺混区，进而对气膜冷却效率进行合理预测。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种针对气膜冷却的k-ωSST湍流模型增强掺混修正方法，通过本发明方法提高了气膜冷却效率掺混区数值预测准确度。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种适用于气膜冷却的k-ωSST湍流模型增强掺混修正方法，所述k-ωSST湍流模型增强掺混修正方法为通过掺混函数C_m描述不同掺混程度区域的湍流粘性系数μ_t，进而通过湍流粘性系数μ_t完成两股流体不同掺混强度区域的修正，

掺混函数表达式如下：

其中，其中n为混合常数，C_A表示气膜冷却中冷却气体A的质量分数，C_A通过求解组分输运方程获得，由于气膜冷却为两股流掺混，另一组分通过1-C_A计算获得；在非掺混区，C_A或另一组分1-C_A的值趋于0；

湍流粘性系数μ_t为：

其中，ρ为气体密度，k为湍动能，ω为比湍动能耗散率。

根据一个优选的实施方式，所述组分输运方程为：