一种针对k-epsilon湍流模型的湍流长度尺度修正方法技术

本发明专利技术公开了一种针对k‑epsion湍流模型的湍流长度尺度修正方法，本修正方法以无量纲速度散度λ

【技术实现步骤摘要】
一种针对k-epsilon湍流模型的湍流长度尺度修正方法
本专利技术属于湍流模拟
，尤其涉及一种针对k-epsilon湍流模型的湍流长度尺度修正方法。
技术介绍
以可靠且经济的方式在大气层内飞行的需求，吸引了众多机构和学者对超音速和高超音速飞行器研发的关注。在此类飞行器的设计与优化中，气动力和气动加热的准确预测是必不可少的。湍流，作为经典物理学中最重要的至今仍未解决的问题之一，对它的模拟与分析是飞行器气动特性分析中最为复杂且困难的议题之一。现代计算机技术的发展为采用计算流体力学(CFD)的方法解决湍流问题提供了一种可能。对涉及真实飞行器的复杂流动的数值模拟，通过求解雷诺平均的Navier-Stokes方程(RANS)和相应的湍流封闭模型，是考虑成本和精度条件下最为可行和被广泛使用的方法。基于涡粘性假设的湍流模型，是为了封闭湍流求解而发展出来的一类在工程实践中最常用的湍流模型。而基于Boussinesq假设的线性模型，又是涡粘性模型中最为常见的一类。尽管线性涡粘性模型在众多低速、跨声速甚至超声速流动的模拟中获得了广泛应用与认可，但是其在高超声速流动中，尤其是涉及高超声速激波边界层相互作用的模拟中显示出了明显的短板。其中之一就是激波边界层干扰区气动加热的预测值，尤其是流动再附点附近的物面热流，往往严重高于实验值。为了提升气动加热的预测精度，Coakley等人提出了基于各项同性湍流假设的代数湍流长度尺度修正方法，以此来限制通过求解k-epsilon湍流模型方程所得到的湍流长度尺度，从而减小数值求解得到的物面热流与实验值之间的误差，提升预测精度。该方法具体的实现过程是：在求解k-epsilon模型方程的输运方程后，采用湍流变量k和计算获得一个湍流长度尺度而后再通过各项同性湍流的湍流长度尺度计算公式le＝2.5y计算得到一个湍流长度尺度的上限，其中y为流场某点到物面的最近距离(通常称为壁面距离)。通过式子l＝min(le,lc)使得整个流场的湍流长度尺度都小于等于le，而后再依据新的限制后的湍流长度尺度l，重新计算湍动能耗散率其计算表达式为而后将重新计算得到的带入下一步迭代计算中，如此往复，直到计算结束。现有的依赖于壁面距离的代数湍流长度尺度修正方法，直接依赖于壁面距离(y)的计算。然后，壁面距离这一参数，在真实复杂外形的数值模拟中，一方面需要单独额外的计算，耗费计算量；另一方面，限于其定义为“最近距离”故而在计算中会因为计算方法和模拟所采用的网格的不同而获得不同的计算结果，进而直接影响引来该参数进行计算的其他参数。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种针对k-epsilon湍流模型的湍流长度尺度修正方法，本修正方法以无量纲速度散度λl的值为基本自变量来确定修正源项的大小，通过控制函数tanh(h2(η-h3))-1实现了对修正源项作用区域的控制。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种针对SST湍流模型的湍流长度尺度修正方法，所述SST湍流模型的输运方程为：湍动能k：湍动能耗散率在单位湍动能耗散率方程的等号右边增加源项：其中，为无量纲的速度散度，tanh为双曲正切函数,修正项系数分别为h1＝3.0，h2＝2.0，h3＝3.0。η为无量纲的应变率表征量，其定义为：其中Sij和Ωij分别代表应变率张量和涡量张量。本专利技术涉及的各符号的物理意义为：拉丁字母：Cf-摩擦系数,d-SST模型中流场中点到壁面的最近距离；k-湍动能；l-湍流长度尺度；p-pressure；Pk-湍动能k方程中的湍动能生成项；Re-雷诺数；Rt-湍流雷诺数；S-应变率不变量；Sij-应变率张量；T-温度；t-时间；U-速度矢量；x-坐标轴方向；y-坐标轴方向；y+-Non-dimensionalwalldistance,希腊字母：δ-边界层厚度；δ*-边界层位移厚度；δij-克罗内克符号；ε-湍动能耗散率；-各项同性湍动能耗散率；μt-动力学无粘性系数(动力学湍流粘性系数)；vt-运动学无粘性系数(运动学湍流粘性系数)(＝μt/ρ)；ρ-密度；λl-)；τij-雷诺应力张量；Ω-无量不变量；Ωij-涡量张量。下标：w-壁面处参数；0-来流边界层参数；∞-自由来流参数；L-参考长度。上标：″-Farve(质量)平均中的脉动量部分；-Reynolds(时间)平均中的平均量；-Farve(质量)平均中的平均量。本专利技术的有益效果：本技术方案不依赖于壁面距离这一参数，而是根据流场中速度散度的强度大小来确定修正源项的大小，可以有效避免现有代数方法的不足。此外，原有修正方法对所有速域的流动都会起到“限制”作用，但是这一修正本身，主要是针对高超声速(通常指马赫数大于5的流动)湍流模拟而设计的。因此，已有方法的使用会导致在非高超声速湍流的模拟中产生副作用，导致计算结果与实验值相比，偏差进一步增大。而本方法中，源项大小是依赖于无量纲速度散度这一参数，可以有效避免、甚至消除修正源项在非高超声速湍流模拟中的影响，而仅在高超声速湍流的模拟中产生相应的修正作用。附图说明图1是本专利技术实施例2中马赫7.05压缩拐角实验模型示意图；图2是本专利技术实施例2中马赫7.05压缩拐角算例网格示意图；图3是本专利技术实施例2中马赫7.05压缩拐角算例35度压缩角工况物面压力与实验结果对比图；图4是本专利技术实施例2中马赫7.05压缩拐角算例35度压缩角工况物面热流与实验结果对比图；图5是本专利技术实施例3中马赫2.9压缩拐角算例网格示意图；图6是本专利技术实施例3中马赫2.9压缩拐角算例24度压缩角工况摩阻系数对比图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。另外，本专利技术要指出的是，本专利技术中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本专利技术涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。实施例1：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对k-epsilon湍流模型的湍流长度尺度修正方法，所述k-epsilon湍流模型的输运方程为：/n湍动能k：/n

【技术特征摘要】
1.一种针对k-epsilon湍流模型的湍流长度尺度修正方法，所述k-epsilon湍流模型的输运方程为：
湍动能k：



湍动能耗散率



其特征在于：
在湍动能耗散率的输运方程的等号右边增加源项：

【专利技术属性】
技术研发人员：张昊元，桂业伟，邱波，刘深深，万云博，杨肖峰，刘磊，曾磊，朱言旦，李睿智，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51