圆柱绕流大涡模拟地研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 热机气动力学 第十届年会 编号：012058 圆柱绕流大涡模拟的研究 李勇柳朝晖李光正郑楚光 武汉华中科技大学煤燃烧国家重点实验室 武汉430074 54241 联系电话：027—87 7-8410 3．net Ema“：hustyliyong盈26 摘要：本文主要进行圆柱绕流的大涡模拟研究．有单柱绕流、取柱绕流两种情况．计算时采用了SIMPLE 算法．对流一扩散项采用QUICKEST格式．在时间一空间上皆为二阶精度，空间网格采用交错网格，平面 直角坐标系，亚网格尺度采用Smagorinsky亚阿格摸式模拟．压力泊松方程采用了TDMA算法快速求解， 在模拟的结果中给出了瞬态的湍流结构，通过对涡量场、压力场等瞬态流场的比较，分析了备特征量 发展的特征和细节，为大涡模拟在其它复杂流场中的应用提供了基础． 关键词：太涡模拟，圆柱绕流，交错网格 1．前言： 、 湍流在工农业生产中广泛存在““1，与人们的生活息息相关。湍流也是是经典物理 学中尚未得到解决的最后一个太难题，对于湍流基础研究的进展，可以直接导致许多实 际工程及科学应用的进步。湍流是的一种非线性的流体运动．在空间上不规则，在时间 上无序。其运动表现出非常复杂。 湍流研究的最好数值模拟方法是直接求解N—S方程。但为了细致的描述湍流的时间 和空间变化，计算的结点数和时间步数的乘积为雷诺数(Re)的2．75次方，计算机的 容量也需要雷诺数的2．25次方的量级，对于中等大小的Re(～10‘)，计算量和占用内 存已经十分可观，目前的计算机已难以承受，因此用直接求Ns方程的方法来研究湍流 Simulation)应运而生。 实际上还不可能，为此大涡模拟(LargeEddy 大涡模拟认为，湍流运动是由许多大小不同的旋涡组成，那些大旋涡对平均流动有 比较明显的影响，而那些小漩涡则通过非线性的作用对太尺度运动产生影响。大量的质 量、动量、热量、能量交换是通过大涡实现的。小涡的作用表现为耗散。流场的形状， 障碍物的存在，对大涡有比较大的影响，使它具有明显的各向不均匀性。小涡则不然， 它们有更多的共性和更接近各向同性，因而较易于建立有普遍意义的模型．基于上述物 理分析，人们形成了大涡模拟的思想，把湍流运动分成大尺度(网格可分辨尺度)运动 和小尺度(亚网格尺度)运动。小尺度量通过模型建立与大尺度量的关系。大尺度量通 过数值计算得到。很明显．只要尺度足够小，小尺度模型将会具有更多的普遍性，大涡 模拟将更加有效。 在湍流的亚网格尺度模型研究方面．始自代数模型(零方程模型)，从对各向同性 湍流的研究发展到了对各向异性揣流、剪切湍流的研究，有动力模型、谱涡粘性模型、 构造函数模型等研究成果。但以上模型都有共同的先天不足之处．即都是以涡粘性模型 为基础．还需要下一步的工作。在大尺度方面．大涡模拟与直接数值模拟有相融和的趋 48 势。边界条件的处理一直很棘手．国外在非周期性边界条件的确定、固壁附近大涡模拟 等方面，已有了先期成果，但总论文数不是很多。 圆柱绕流是湍流研究中的经典算侧，本文尝试将大涡模拟用于单圆柱和双圆柱绕 流，以期刻画该复杂流动的详细结构。 2．亚网格尺度模型： 在大涡模拟中大的自＆量输运尺度直接计算，只对较小的亚网格尺度量进行模拟。大 尺度量(由上划线标识)可以通过滤波函数来定义， ，0)=眇G’)GG，x’陋’ (1) 其中G是滤波函数，积分在整个控制域内进行。通常使用的滤波函数包括Deardoff的 盒式滤波、高斯滤波和傅立叶截断滤波。 亚网格尺度量定