DES过程应用于固定在墙上的驼峰

文摘

本文描述了一个detached-eddy模拟(DES)流在一个固定在墙上的驼峰。根据驼峰雷诺数和弦“马赫数为0.1。解决方案的三维Reynolds-averaged n - s(跑)使用Wilcox过程得到方程。DES结果使用模型获得了布什和玛尼和比较了解决方案和实验数据从2004年美国宇航局的计算流体动力学验证合成喷流和湍流分离控制车间。DES过程表现出一个三维流结构后,以13.65%的短意味着分离地区跑和平均回贴长度相比,处于良好的协议与实验测量。DES的预测压力系数分离地区也表现出良好的协议与实验比跑,更准确的预测。

1。介绍

模拟的“稳定”和“不稳定”的流动空气动力学的身体已经成熟了很多在过去的十年。空气动力性能和流动结构可以与可接受的精度预测除了混合的复杂流动区域和在非设计工况条件接近失速。在这些地区,与多个涡流流动结构,混合和混合通常不是预测不足导致湍流模型的计算网格密度和崩溃。

当前工作的重点是验证navier - stokes代码和进一步开发使用安装在墙上的驼峰detached-eddy粘度模型网格。这种情况下被证明是困难的对于大多数参与者的NASA车间,特别是那些使用两个甚至三维跑技术(1- - - - - -3]。大部分,如果不是全部,参与者使用Reynolds-averaged n - s预测分离区域太大,这清楚地显示,限制了使用运行过程。努力摩根et al。1)超过了模型与高阶空间和时间的限制方法应用于n - s和方程的提高很小,特别是在分离地区的流动。类似的结果Balakumar [3)使用一个基于准确的加权本质上的非(WENO)方案空间离散化和三阶全变差(TVD)龙格-库塔时间计划集成递减。以色列et al。4)评估直接数值模拟(DNS)以及流模拟方法(FSM)跑关闭方程结合贡献函数,用于确定湍流应力的大小。他们观察到好的协议FSM、DNS和实验数据和数值预测和实验表明,差异可以归因于在实验的数值表示差异,而不是缺陷的数值方法。米勒和塞茨(5)表示“状态”提出的SAS模型相比,王桂萍,本德(6)以及DES和发现的方法产生的结果与实验和好的协议被证明是更适合工业应用因为它们不如DNS和LES模拟计算密集型。

2。控制方程

不稳定,Favre-averaged管理流场方程对理想,可压缩气体在右手,笛卡儿坐标系统使用的主要变量。三维连续性、动量和能量方程可以写在保守的形式如下:

因为我们正在处理可压缩流,我们需要一个状态方程和压力和焓与能量

额外的控制方程由威尔科克斯(7,8用于运输的湍流动能和湍流耗散率的地区流动的计算网格或全球时间步大小不能解决湍流漩涡。湍流混合能源和特定的方程耗散率低于2006年,威尔科克斯(可以看到7)模式 在哪里

流的大规模地区解决涡流计算网格,借用了大涡模拟技术用于表示粘性剪切和湍流粘性。大涡的次网格模型描述Smagorinsky [9)修改根据Strelets[描述的detached-eddy注意事项10和布什和玛尼11] 在哪里是一个涡流长度尺度网格/时间步过滤宽度成正比,: 此外,耗散项,的湍动能输运方程(4艾迪长度尺度)是有限的,,根据 在哪里是一个比例系数

方程(10)确定最小的漩涡,可以解决。前三个方面确定最小涡流大小网格可以支持。这两个时间是对流速度和次网格尺度湍流,分别。他们包括确保一步是足够小的时间解决不稳定的影响。方程(7)能像(3)使用以下:

3所示。数字技术

质量守恒定律、动量和能量方程解决使用Lax-Wendroff控制卷,倪呢计划是由(12],Dannenhoffer [13戴维斯,et al。14,15]。数值解的不稳定流动可以用显式执行(12)或双时间步过程(16]。这些技术在时间和空间二阶准确。多栅收敛加速计划(12)是用于稳定,Reynolds-averaged n - s解决方案和不稳定的内在融合循环模拟使用双重时间步方案。这种方法叫做MBFLO,二维(17],axi-symmetric [18)(有或没有漩涡)和三维(19)版本。三维程序和结果使用布什和摩尼的DES算法流在一个固定在墙上的驼峰是这里描述。

詹姆逊的第二和第四个区别耗散模型(20.)是当前过程中使用平均流量和湍流方程。第四个区别耗散是按比例缩小的绝对值的倒数的平均应变率的平方。这个函数衰减数值耗散在粘性流区域,包括边界层,醒来,大漩涡,和二次流。

并行执行使用消息传递接口(MPI)库(21]。图1和表1显示了典型的加速和效率的处理器数量的功能有关。配置用于生成该数据在结果部分类似于如下所示的计算网格组成百万网格点。生成的数据是在Linux集群组成的GHz Intel Xeon处理器。图1显示的加速因子是意识到过程产生并行效率。在表1,我们可以看到效率,如果不少于可获得更高使用网格分过程。

4所示。结果

navier - stokes代码验证与分析数据等一系列标准测试用例稳定的非粘流/圆形肿块,在翼型湍流,层流和湍流平板,以及axi-symmetric流(17- - - - - -19]。目前调查的重点是演示和验证的DES模型分离流和确定可能存在什么优势,在准确性方面,对DES相比,三维巨蜥在设计过程及其适用性。

模拟湍流平板,构造等方法开发的流入边界条件固定在墙上的驼峰,最初表现。平板的长度是通过初步计算流体动力学测试,所以边界层厚度基本上是预测的实验。流条件也将与固定在墙上的驼峰和。

平面网格,计算域扩展流向的方向,从在正常的方向。有分用于流向方向的最大拉伸比。墙间距正常表面被设定和对应。最大拉伸比实现了点集中在平板表面附近。

仿真是由初始化入口与无量纲速度的均匀流场组件被设置为,和无量纲密度。在该地区平板,速度剖面是初始化使用log-law概要文件,和密度和能量重新计算freestream保持压力。在流入边界条件计算,总压强和温度不变,虽然在出口处,静态压力保持不变。从入口沿平板表面的前缘平板,一个非粘壁边界条件施加了绝热无滑动墙整个平板表面。流的顶壁域还将一个非粘壁。

来验证预测解决方案,速度剖面绘制的内层速度和长度变量和分别和实证粘性子层相比,log-law,幂律关系如图2(一个)。图2 (b)显示了预测速度和实验测量资料,对应于安装在墙上的驼峰的入口。

一旦入口条件生成使用平板,安装在墙上的驼峰测试用例对湍流模拟和比较实验数据从美国宇航局车间22),专注于合成喷流和湍流分离控制。驼峰几何构造模拟厚Glauert-Goldschmied机翼弦的长度米(英国《金融时报》),最大高度米(英国《金融时报》),和一个跨度米(英国《金融时报》)。实验数据获得和基于和弦。调查的测试用例是没有流控制,没有吹或吸槽。数值结果用三维结构化网格平滑的槽和墙顶部形状调整到约占侧板堵塞,建议的研讨会(22]。网格如图3从来流向的方向,驼峰位于来从来在正常的方向。包含的网网格点流向的方向正常的墙上。初始运行模拟使用三个平面的方向执行组成的网格点。这使得一个名义上的二维流动模拟实验进行比较。真正的三维模拟,原创使用网格描述和挤压的方向弦的长度,图中可以看到4。的方向是网状的使用点均匀间距和对应于大约两基于入口边界层厚度。

援助的湍流平板模拟,固定在墙上的驼峰的流入速度和密度资料情况下生成,用于初始化流域固定在墙上的驼峰,帮助减少计算所需的时间获得一个解决方案。流动领域的顶端设置一个非粘壁边界条件与绝热无滑动墙沿南边界开始在进口和领先的隆起部分。静压再次保持不变在出口处流的域。名义上的二维情况下使用稳定运行解算器,非粘性的墙壁是出于目的的边界,而周期性边界条件用于三维非定常模拟。动荡的freestream强度,耗散长度范围,被设置为和,分别。使用DES系数表明了原始作者的价值(11]。

颞周期性和不稳定行为的最初研究三维DES。获得的信息被用来确定所需的时间步数量最少的解决周期周期时均DES在给定的全球时间步。数据5和6(一个)显示信号瞬时的历史- - - - - -,- - - - - -,表面的力量以及功率谱密度(PSD)的函数时间步的数量。PSD的地面部队在这里绘制时间步的数量的函数更容易看到周期性流动。在图6(一)我们看到,大约每重复峰值谱信号时间步长,对应的频率赫兹。相应的斯特劳哈尔数根据驼峰高度和freestream速度大约是。一旦决定,这种情况下运行约周期周期和时间上。

图7显示产生的时均压力系数分布跑和时均DES模拟。数值结果预测使用运行过程产生的高压力水平分离地区相比,实验数据。这相比其他跑模拟是一致的1- - - - - -3在美国宇航局的车间。研究人员使用剪切应力传输(SST)跑模型显示类似的压力导致驼峰的预测以及更高的分离地区的压力。基线运行情况下由摩根Rizzetta, Visbal [1)也显示类似的压力预测流动导致驼峰和分离地区。运行模拟由Krishnan, Squires,活力四射2)也显示类似的预测以及那些由Balakumar [3)和Šarićet al。23]。当前DES案例显示加速地区类似的比较与实验数据流的,,显著改善分离地区位于两者之间。

比较上的表面摩擦系数,,如图8。再一次,与稳定运行有很好的协议预测上游的驼峰在驼峰的开始分离。DES情况略有低估了皮肤摩擦加速地区流的最大价值约。类似的结果显示了摩根et al。24)使用一个隐式的大涡模拟。两个模拟准确预测分离地区的约。分离地区的,我们看到的预测回贴点运行情况和时均DES。DES匹配实验数据分离地区比运行过程。表2概述了跑的分离和回贴位置和DES过程与实验数据相比。在这里,我们可以看到,这两个程序准确地预测分离的发生与运行过程overpredicting分离泡沫的大小。然而,DES正确预测回贴点和分离泡沫的大小。

图9显示了一个流跟踪速度的比较。我们可以更容易地看到流回贴位置和DES对流动的影响。在图9 (b),我们看到,简化图清楚地表明,运行解决方案有较长的分离泡沫比观察实验图9(一个)。时均DES流线,图9 (c)显示,显著改善了预测泡沫分离长度,用短意味着分离地区跑和平均回贴长度相比,处于良好的协议与实验测量。

时均速度概要文件,,对应的位置在它的下游分离地区和略,也与实验数据相比。反向峰值流速的预测在图10 ()接近该地区实验测量速度和略滞后远离墙壁。指的是速度概要文件和在数据10 (b)和10 (c)可以看出,实验测量流回贴是指向,而MBFLO跑和DES过程预测回贴点和,分别。的近壁区流动,DES过程相比之下更准确的实验速度概要文件在所有四个地点。

的DES和运行配置文件速度组件和在图11显示良好的定性比较和和匹配实验测量值很好和。应该指出的是,分速度的大小小于分和微小的变化可以更容易被看到。

图12等高线图显示对比的空间平均涡度和跑和瞬时DES,瞬时涡度轮廓图12 (b)显示一个大范围的解决涡流与大涡模拟处理一致。

瞬时由涡量等值线片,,厘米。正常的在墙上如图13。在这里,我们可以更容易地看到横生,这形成了壁挂式的驼峰。图14DES预测提出了瞬时涡量等值面。在这里,我们可以清楚地看到分离剪切层下游的驼峰。

detached-eddy仿真过程,描述了布什和玛尼(11),已被证明是比标准跑一直更准确。它预测的实验测量流量压力系数等数量,表面皮肤摩擦,回贴长度和平均速度概要文件。跑过程预测延迟回贴,这表明减少紊流混合分离区域内。尝试使用高阶数值技术,应用到运行程序(1,3),显示类似的结果。应该注意的是,DES过程使用一个常数模型系数;尽管额外的计算使用各种系数将进一步研究DES过程至关重要,它是超出了当前的调查范围。

5。结论

一般Reynolds-averaged / detached-eddy模拟程序应用于流的预测在一个固定在墙上的驼峰。最初的结果使用跑和DES过程与实验以及其他参与者相比2004年美国宇航局的计算流体动力学验证车间。像其他参与者使用了模型,分离的发病是准确地预测和回贴点overpredicted。跑过程也overpredicted平均压力、皮肤摩擦,在分离区和速度概要文件。DES过程使用布什和摩尼模型显示的效果要好得多。DES的三维结构解析后改善了当地流动物理分离地区的预测平均压力分布、表面摩擦,流向速度。

命名法

E:	总能量
	内部能量
	总焓
	静态焓
	湍流动能
	压力
	普朗特数
:	紊流普朗特数
:	平均应变率张量
:	速度分量
	速度大小
:	定义的常量方程
	粘滞系数
:	湍流粘度系数
	湍流耗散频率
:	DES过滤湍流耗散的频率
:	总剪切应力张量
:	层流剪切应力张量
:	雷诺剪切应力张量
	密度
	Freestream动荡水平%
:	艾迪长度范围
	DES滤波器的宽度
:	定义的常量方程
:	DES系数。

确认

作者要感谢约翰·克拉克博士和轮机部门的经理在代顿赖特-帕特森空军基地的空军研究实验室,俄亥俄州的支持这种努力的合同09 - s590 - 0009 - 20 - c1。桑迪亚国家实验室是一个multi-program由桑迪亚实验室管理和运营公司,洛克希德·马丁公司的全资子公司,为美国能源部的国家核安全管理局de - ac04 - 94合同下al85000。

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