[發明專利]不可壓流大渦模擬的湍流入口條件生成方法

在審

• 申請號: 201410480314.6
• 申請日: 2014-09-18
• 公開（公告）號: CN104239640A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 肖鋒;王振國;孫明波;李清廉;梁劍寒;趙玉新
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 吳貴明;張永明

技術領域

本發明涉及空氣動力設計領域，具體而言，涉及一種不可壓流大渦模擬的湍流入口條件生成方法。

背景技術

在吸氣式發動機燃燒室里，湍流決定著燃料的混合與燃燒，對發動機的性能有著重要影響。隨著計算機計算速度的提高和數值計算方法的發展，流體計算力學在燃燒室內流動和燃燒研究方面起了巨大的推動作用。在20世紀，由于計算能力的限制，雷諾平均方法在工程應用的流體計算領域占據著絕對的主導地位。雷諾平均方法只計算速度場和標量場的時均值，并模化湍流運動對時均速度場和時均標量場的影響。然而，雷諾平均模型無法準確地預測渦結構對燃料輸運混合的影響，導致計算結果相對于試驗結果誤差較大。在21世紀，大渦模擬得到了越來越廣泛的應用，大渦模擬直接求解大尺度渦結構，模化小尺度渦結構對流動和混合的影響。因為燃料的混合主要由大渦運動控制，因此大渦模擬可以更準確地預測燃料混合和燃燒過程。

大渦模擬中，入口條件明顯地影響下游的發展，真實的湍流入口條件是準確預測下游流場的必要條件。

為了生成湍流入口條件，發展了很多方法，主要可分為兩大類：合成式湍流生成方法和循環式湍流生成方法。

最簡單的合成式湍流生成方法是在假設的或已知的平均速度上疊加白噪聲。然而，由于白噪聲的不相關性，所生成的脈動缺乏有序的大尺度結構，導致這些脈動在入口下游很快地耗散了，需要很長的過渡區域恢復真實的自相關湍流結構。在更先進的合成式湍流生成方法中，入口處的一些湍流統計信息被用來生成所需時變速度場，例如對給定的湍動能能量譜進行反傅里葉變換；數字濾波，給定湍流尺度和自相關函數，通過調整系數來滿足給定的速度平均值和脈動值。所有的合成式湍流生成方法有兩個缺點：需要一定長度的過渡區域來得到真實的湍流；大多數先進的方法需要給定苛刻的湍流信息，如湍流尺度和自相關函數。

建立在循環技術上的湍流生成方法可以避免上面兩個問題。這種方法首先被用于充分發展的管道流動，在入口和出口采用周期邊界條件。后來，循環技術通過坐標變換用于空間發展邊界層的直接數值模擬，變換后的流場在主流方向上接近同性(即沒有變化)，使用周期邊界條件。為了避免復雜的坐標變換，Lund?et?al發展了一種更簡單的循環/調制方法，將下游某一特定平面的瞬時速度場根據邊界層自相似法則調制，作為計算域入口的邊界條件。上面這幾種循環式湍流生成方法局限于邊界層。Pierce通過調制整個計算區域，使得這種循環式湍流生成方法適合于為任何平行流動或緩慢發展流動提供湍流入口條件。通過這種方法調制后的流場在主流方向上同性且滿足指定速度平均值和脈動值，可將下游某一特定平面的瞬時速度場直接循環作為計算域入口的邊界條件。

Pierce的循環/調制方法在計算速度平均值和脈動值時只采用了一個方向上的空間平均，因此計算誤差較大，難以保證最終生成的湍流達到足夠的真實度。

發明內容

本發明旨在提供一種不可壓流大渦模擬的湍流入口條件生成方法，計算精度高，能夠為真實湍流提供精確的湍流入口。

為了實現上述目的，本發明提供了一種不可壓流大渦模擬的湍流入口條件生成方法，包括：在主計算區域入口上游創建入口條件生成區域，入口條件生成區域的出口處的湍流速度場為主計算區域的入口條件；根據入口條件生成區域出口處的湍流速度場通過循環技術來確定入口條件生成區域的入口條件；對入口條件生成區域的速度場進行循環調制，使入口條件生成區域出口處的湍流速度場滿足給定的主計算區域入口速度平均值和脈動值。

進一步地，入口條件生成區域的展向和壁面垂直方向的尺寸與主計算區域一致，且該入口條件生成區域的流向方向尺寸使得入口條件生成區域在流向方向上的入口端和出口端的速度相關性為零。

進一步地，確定入口條件生成區域的入口條件的步驟包括：對入口條件生成區域在流動同性方向上采用均勻網格，以保證調制過程中對流場作用的均勻性和空間過濾影響的均勻性。

進一步地，在對入口條件生成區域的速度場進行循環調制的步驟之前還包括：初始化入口條件生成區域和主計算區域的速度場；在平均速度上疊加強度為u′_target(y)的白噪聲，在平均速度上疊加強度為v′_target(y)的白噪聲，在平均速度上疊加強度為w′_target(y)的白噪聲。

進一步地，對入口條件生成區域的速度場進行循環調制的步驟包括：在入口條件生成區域和主計算區域上同時進行數值計算，每k個時間步調制一次入口條件生成區域的速度場。