一种基于湍流能谱耦合k-ε系列模型的网格自适应湍流模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于湍流能谱耦合k

【技术实现步骤摘要】
一种基于湍流能谱耦合k
‑
ε
系列模型的网格自适应湍流模拟方法


[0001]本专利技术涉及工程流体力学计算领域，尤其涉及一种基于湍流能谱耦合k
‑
ε系列模型的网格自适应湍流模拟方法。

技术介绍

[0002]湍流现象在自然界和工程领域中普遍存在，对湍流的精准预测是研究复杂流动问题的一大难题。以流体机械内部流动为例，其流动结构十分复杂，广泛存在多尺度、非线性、非定常等复杂湍流流动现象，这些复杂湍流对流体机械的性能有很大影响。因此，在工程设计中，迫切的需要发展预测精度高、计算效率高的湍流模拟方法，使之能准确模拟以流体机械内部流动为例的复杂工程问题中的湍流流动。
[0003]现有工程常用的湍流模拟方法以求解雷诺平均NS方程(RANS)方法为主，虽然计算量较小，但由于其基于简单基本流动发展而来，对工程问题中多尺度、非定常、大分离等复杂湍流流动预测准确性不佳，从而难以实现对以流体机械内部流动为例的工程问题中复杂流动机理的精细化研究，严重制约流体机械等领域设计水平的提升。大涡模拟(LES)方法作为高精度数值模拟方法，对网格数的要求很高，使其相比于RANS方法计算耗费呈指数级增长，远高于工程应用中可以承受的计算耗费水平。对于流体机械内部流动等工程流动问题，雷诺数往往较高，在现有计算能力下，LES方法还难以在工程设计层面上应用于复杂工程领域的流动预测。
[0004]近二十年来诞生了RANS
‑
LES混合模拟方法，通过在近壁区域采用RANS方法，主流区域采用LES方法，来平衡计算精度和计算效率，对解决复杂流动的高精度模拟计算耗费大的问题，提供了很好的解决策略。但目前经典的RANS
‑
LES混合模型对网格有较为严格的要求，需要使用者具有较为丰富的高精度数值模拟经验，因而对以流体机械内部流动为例的复杂工程流动的预测能力有限。因此，降低RANS
‑
LES混合模型对网格的经验依赖程度，对更好地实现复杂工程流动问题中多尺度、非线性、非定常等湍流流动现象的准确、高效的高精度模拟具有重要意义。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本专利技术的目的在于提出一种基于湍流能谱耦合k
‑
ε系列模型的网格自适应湍流模拟方法，有效克服现有RANS
‑
LES混合模型对网格的经验依赖度高的问题，在提升计算准确度的同时，大幅减少计算耗费，显著加快湍流模拟进程，为解决复杂工程流动问题中多尺度、非线性、非定常等湍流流动的快速高精度模拟提供高效的数值模拟方法。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于湍流能谱耦合k
‑
ε系列模型的网格自适应湍流模拟方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一，判断是否应用屏蔽函数；
[0010]步骤二，识别当地网格尺度；
[0011]步骤三，基于湍流能谱积分耦合k
‑
ε系列模型构造尺度相关的调节函数；
[0012]步骤四，使用调节函数重构k
‑
ε系列模型的湍流粘性；
[0013]步骤五，基于k
‑
ε系列模型，使用重构的湍流粘性进行湍流模拟；
[0014]①
所述判断是否应用屏蔽函数包括：
[0015]结合所模拟的流动状态类型，判断是否采用屏蔽函数F
GAS
，具体地，当所述流动状态类型为自由剪切流动，则不采用屏蔽函数，此时所述屏蔽函数F
GAS
＝0；当所述流动状态类型为近壁流动，则采用屏蔽函数，所述屏蔽函数F
GAS
可使用如：来源于DDES
‑
SST模型中的F1屏蔽函数、F2屏蔽函数和来源于DDES
‑
SA模型中的F
d
屏蔽函数；
[0016]②
所述识别当地网格尺度包括：
[0017]结合步骤一中所述屏蔽函数F
GAS
，确定当地网格长度尺度Δ
*
；
[0018]所述当地网格长度尺度Δ
*
由下式给出：
[0019]Δ
*
＝C
GAS
[(1
‑
F
GAS
)Δ
vol
+F
GAS
Δ
max
][0020]Δ
max
＝max(Δ
x
,Δ
y
,Δ
z
)
[0021][0022]其中，Δ
x
为当地六面体网格的长，Δ
y
为当地六面体网格的宽，Δ
z
为当地六面体网格的高，C
GAS
为经验系数取0.6；
[0023]③
所述基于湍流能谱积分耦合k
‑
ε系列模型构造尺度相关的调节函数包括：
[0024]按照k
‑
ε系列模型中对湍动能的模化方式，得原始模化的湍动能k
m
，根据步骤二中所述当地网格长度尺度Δ
*
，基于湍流能谱通过积分得到实际应模化的湍动能k
u
；
[0025]所述实际应模化的湍动能k
u
由下式得到：
[0026][0027]其中，C
k
为柯尔莫哥洛夫常系数，取1.5，ε为实际的湍流耗散率，κ
c
为可解湍流截断波数，由步骤二中所述当地网格长度尺度Δ
*
决定：
[0028][0029]根据所述实际应模化的湍动能k
u
、所述原始模化的湍动能k
m
和步骤一中所述屏蔽函数F
GAS
，构造动态尺度相关的调节函数D
f
；定义尺度之比为所述实际应模化的湍动能k
u
和所述原始模化的湍动能k
m
的比值，所述动态尺度相关的调节函数D
f
为所述尺度之比相关的函数，由下式得出：
[0030][0031]l
GAS
＝(1
‑
F
GAS
)l
u
+F
GAS
l
m
[0032][0033]其中，l
u
为网格相关尺度，l
m
为k
‑
ε系列模型给出的湍流长度尺度，由下式得出：
[0034][0035]其中，k
m
为k
‑
ε系列模型原始模化的湍动能，ε
m
为按照k
‑
ε系列模型得到的原始模化的耗散率；
[0036]④
所述使用调节函数重构k
‑
ε系列模型的湍流粘性包括：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于湍流能谱耦合k
‑
ε系列模型的网格自适应湍流模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，判断是否应用屏蔽函数；步骤二，识别当地网格尺度；步骤三，基于湍流能谱积分耦合k
‑
ε系列模型构造尺度相关的调节函数；步骤四，使用调节函数重构k
‑
ε系列模型的湍流粘性；步骤五，基于k
‑
ε系列模型，使用重构的湍流粘性进行湍流模拟；
①
所述判断是否应用屏蔽函数包括：结合所模拟的流动状态类型，判断是否采用屏蔽函数F
GAS
，具体地，当所述流动状态类型为自由剪切流动，则不采用屏蔽函数，此时所述屏蔽函数F
GAS
＝0；当所述流动状态类型为近壁流动，则采用屏蔽函数，所述屏蔽函数F
GAS
可使用如：来源于DDES
‑
SST模型中的F1屏蔽函数、F2屏蔽函数和来源于DDES
‑
SA模型中的F
d
屏蔽函数；
②
所述识别当地网格尺度包括：结合步骤一中所述屏蔽函数F
GAS
，确定当地网格长度尺度Δ
*
；所述当地网格长度尺度Δ
*
由下式给出：Δ
*
＝C
GAS
[(1
‑
F
GAS
)Δ
vol
+F
GAS
Δ
max
]Δ
max
＝max(Δ
x
,Δ
y
,Δ
z
)其中，Δ
x
为当地六面体网格的长，Δ
y
为当地六面体网格的宽，Δ
z
为当地六面体网格的高，C
GAS
为经验系数取0.6；
③
所述基于湍流能谱积分耦合k
‑
ε系列模型构造尺度相关的调节函数包括：按照k
‑
ε系列模型中对湍动能的模化方式，得原始模化的湍动能k
m
，根据步骤二中所述当地网格长度尺度Δ
*
，基于湍流能谱通过积分得到实际应模化的湍动能k
u
；所述实际应模化的湍动能k...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳阳威，汪光宇，唐雨萌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：