亚临界圆柱绕流的DES方法比较.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaMar．252017VolI38No．3SSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxbbuaa．educnhkxb(罾buaaeducn亚临界圆柱绕流的DES方法比较唐虎1，常士楠1’。，成竹2，马兰21．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1000832．中国飞机强度研究所，西安710065摘要：针对地面结冰试验设施喷雾系统尾迹湍流模拟需求，考察了3种脱体涡模拟(DEs)方法对三维亚临界圆柱绕流预测的准确性，比较和分析了瞬时流动特

2、征和流场统计量。研究发现：1)从瞬时流动特征来看，^m雷诺平均Navie卜Stokes(RANS)控制的区域对剪切应力输运^一∞DES(SST女一“DES)求解的准确性有显著影响；2)从流动参数统计量的误差范围来看，回流区长度和流向最小速度的预测质量能在一定程度上反应圆柱绕流数值模拟的准确性；3)综合比较，ssT^一mDEs预测值与试验值和大涡模拟(LEs)数据最为吻合，具有应用于地面结冰试验设施喷雾系统尾迹湍流计算的潜力。关键词：湍流扩散；尾迹流动；脱体涡模拟；涡结构；统计量中图分类号：V216．8文献标识码：A文章编号：1000

3、一6893(2017)03—120294—11地面结冰试验设施由于具备可控的结冰云雾模拟能力而在飞机结冰研究和冰防护系统发展过程中发挥重要作用，而液态水含量均匀性作为地面结冰试验设施的一个重要设计指标，是设计阶段必须要考虑的。此前的研究口。1已经表明地面结冰试验设施喷雾棒尾迹湍流对水滴扩散有显著影响。要正确地预测尾迹湍流对水滴的扩散行为，就必须合适地捕捉喷雾棒尾迹湍流。气流绕喷雾棒流动属于亚临界钝体绕流，涉及边界层分离、剪切层发展、非定常涡的产生与脱落、涡与涡之间相互作用等复杂物理现象。脱体涡模拟(DetachedEddySimul

4、ation，DES)是一种致力于解决三维非定常大分离流动的湍流求解方法[8]，最早由Spalart等p3提出，该方法在网格分辨率适用于大涡模拟(LargeEddySimulation，LES)的区域发挥类似于LES亚格子尺度模型的作用，而在网格分辨率不适用于LES的区域发挥雷诺平均Navier-Stokes(ReynoldsAveragedNavier-Stokes，RANs)模型的作用[1⋯，这样可在保证计算精度可接受的同时较大幅度地节省计算资源。DES方法经过逐步改进[1卜19J，已成功应用于多项实际工程中[2“32]。目前构建

5、的较为常用的DES方法有Spalart—AllmarasDES(S

6、-ADES)[33]方法、Realizable是一￡DES(R忌一￡DES)[“1方法和剪切应力输运志一(uDES(SST是一∞DES)[353方法(是为湍动能；￡为耗散率；∞为比耗散率)。在DES方法比较研究方面，Strelets[8]在将S—ADES推广至SST忌一叫DES时以RPD一50000(RPD为圆柱雷诺数)圆柱绕流案例进行了模型测试，比较了瞬时涡量、阻力系数、升力系数、雷诺应力和圆柱表面压力系数分布，但仅有压力系数分布与试验数据进行了比较。Nichol

7、s[363则以RPD一8×收稿日期：2016—04—07；退修日期：2016．05—07；录用日期：2016—05—27；网络出版时间：2016-06-0708：40网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160607．0840．004．htmI基金项目：国家自然科学基金(11372026)；中国航空工业集团公司技术创新基金(2013F62302)*通讯作者E—mail：sn—chang@buaaeducn；

8、用播武：唐虎．常士楠，成竹．等亚临界圆柱绕流的DES方法眈较￡如．航空学撮，2

9、017．38(3)：120294．TANGH。CHANGsN．cHENGZteta

10、．comBarisonofdetachededdysImu

11、ationschemesonasubcrⅢca

12、fIowaroundcircularcyllnder【Jj?AclaAero．naut

13、caetAstronaullcaSinIca，2017，38(3)：120294i120294．1航空学报106圆柱绕流案例对S—ADES、SST是一(c，DES和SST多尺度模型进行了比较，分析了计算结果对时间步长和网格分辨率的敏感性，认为采用隐式算法时需

14、要对每个涡脱落周期捕捉至少200步，但Nichols[3明仅对阻力系数CD和斯特罗哈尔数S￡与试验数据进行了比较，没有对这3种方法预测的流动统计量以及瞬时流动特征与试验进行全面比较，因此难以说明哪种方法更适用于亚临界流动。作为喷雾棒尾