分离涡方法对梢涡中脉动量的数值模拟

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1、上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文分离涡方法对梢涡中脉动量的数值模拟硕士研究生：姬亚鹏学号：1120109022导师：薛雷平教授申请学位：工学硕士学科：流体力学所在单位：船舶海洋与建筑工程学院答辩日期：2014年05月27日授予学位单位：上海交通大学I万方数据上海交通大学硕士学位论文DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterDETACHED-EDDYSIMULATIONOFFLUCTUATION

2、INWINGTIPVORTEXCandidate：JIYa-pengStudentID:1120109022Supervisor：Prof.XUELei-pingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：FluidMechanicsSchoolofNavalArchitecture,OceanAffiliation：andCivilEngineeringAffiliation：SchoolofNavalArchitecture,Ocea

3、nDateofDefence：andCivilEngineering2014-05-27Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversityII万方数据上海交通大学硕士学位论文III万方数据上海交通大学硕士学位论文IV万方数据上海交通大学硕士学位论文V万方数据上海交通大学硕士学位论文分离涡方法对梢涡中脉动量的数值模拟摘要分离涡方法是由Spalart在1997年提出的一种混合的湍流模拟方法,简称DES。这种方法的基本思想是:在靠近边界层的区域使用

4、RANS方法，在大量分离产生的区域使用LES方法，它使用与网格尺度相关的长度尺度来进行判断，自动进行模拟方法的转换。这样既避免了LES方法在边界层内的巨大计算开销，又能够在边界层外的LES区得到较为准确的瞬态流场和脉动信息。梢涡是一种比较复杂的流动，它在有限展长翼的端部形成，在三个方向均有很强的速度和压力梯度，因而能产生比较强的脉动；另外，实验研究中发现，梢涡在偏下游的地方有振荡现象，梢涡的振荡能产生额外的脉动。由于DES方法结合了RANS和LES方法，既能较好地得到脉动量信息，又可以在边界层内节省很大

5、的计算量。因此本文使用DES方法作为湍流模拟方法进行研究。本文分别使用RANS方法和DES方法对多种梢涡模型进行了模拟计算。比较了不同模拟方法计算结果的差异，以及网格密度对平均量和脉动量计算结果的影响，最后比较了雷诺数、来流攻角对梢涡计算结果的影响。首先用RANS-SA方法和DES方法（RANS部分为SA模型）对平板十度攻角梢涡模型进行了模拟计算，使用了三套不同密度的网格。通过对速度场、压力场和涡量场的分析，得到了不同网格密度和不同模拟方法所计算结果的差异。结果显示，网格密度对梢涡计算的有一定的影响，网

6、格密度越大，梢涡的强度越大，保持性越好。对于不同的模拟方法而言，DES方法能够更好地得到流动的三维细小结构，所得梢涡强度的保持性也优于RANS方法。在之前对梢涡模拟的基础上，用RANS-SA方法和DES方法（RANS部分为SA模型）对翼端为圆形的NACA0012十度攻角梢涡模型进行了模拟，模拟的雷诺数5为1.24×10，并在梢涡区域进行了八叉树加密，以比较网格密度对脉动量计算的影响。计算结果表明，相比于RANS-SA方法，DES方法所得的结果更接近于实验结果；网格密度对平均量有一定的影响，但不是很大,对

7、脉动量的计算则有量级的影响；网格加密后计算所得速度脉动与实验结果仍有一定的差距，约为实验值的1/2左右；另外，数值模拟并没有得到实验中所发现的梢涡的振荡现象。随后用DES方法（RANS部分为Realizablek-ε模型）对翼端为矩形的125度攻角下的NACA0012翼型进行了数值模拟，雷诺数为5×10。为了更准确地捕捉脉动量，对梢涡区域的网格进行了两次加密，网格密度更大。计算结果显示，网格密度对脉动量的影响非常大，脉动量主要产生于剪切层，并被带入二次涡及三次涡中，之后往吸力面流动融入初始涡之中，融合之

8、后脉动量逐渐减小；瞬时脉动和脉动均方根值的分布有很大差别，脉动的瞬时峰值与均方根峰值也相差很大；近尾缘处的脉动有很强的各向异性，越往下游发展，脉动越趋于各向同性。VI万方数据上海交通大学硕士学位论文与实验结果相比，计算所得下游1/4倍弦长处的平均流向速度峰值与实验值很接近，湍动能峰值与实验值相比的误差为12%。最后，对两种相似工况下的流动进行了模拟，比较了雷诺数、来流攻角对梢涡平均量以及脉动量计算结果的影响。结果显示，同一网格尺度下，高雷诺