[發明專利]湍流邊界層分層判據的方法

有效

• 申請號: 202010715245.8
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN112052512B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 毛枚良;閔耀兵;王新光;陳琦;萬釗
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心計算空氣動力研究所
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 中國和平利用軍工技術協會專利中心 11215
• 代理人: 劉光德

本發明提出一種湍流邊界層分層判據的方法，包括：依據流場變量計算無量綱粘性系數依據無量綱粘性系數的取值范圍對湍流邊界層進行分層。本發明給出的無量綱粘性系數與當地的湍流脈動特征直接相關，能夠完全體現湍流邊界層內的湍流脈動特征，分層標準確定嚴格，實施過程不依賴于使用者的經驗，能夠有效提高湍流邊界層的模擬精度，可直接應用于存在壓力梯度的流動中，能夠有效克服現有技術的湍流邊界層分層判據不適用于存在流向壓力梯度的流動問題。

技術領域

本發明屬于湍流邊界分析技術領域，特別涉及一種湍流邊界層分層判據的方法。

背景技術

物理風洞試驗是預估各類航天航空飛行器氣動性能的重要手段，隨著計算流體力學的發展和計算機資源的日益豐富，數值模擬技術在飛行器氣動設計中發揮著越來越重要的作用，尤其是涉及到時空多尺度流動結構的湍流流動中。盡管近幾十年來計算機資源飛速增長，巨大的計算資源消耗仍然是限制直接數值模擬DNS和大渦模擬LES在工程復雜湍流問題上應用的一個根本因素。即使是采用計算資源消耗最少的雷諾平均湍流模型模擬RANS方法，要獲得能夠滿足工程設計需求精度的比較準確的壁面摩擦阻力和壁面熱流，通常需要在湍流邊界層中最靠近固體壁面的粘性底層中布置相當數量的網格分布，從而使得壁面附近的網格十分細密，不僅會極大地增加計算過程迭代收斂的步數，還會因壁面附近較大的網格長細比而帶來較為嚴重的數值剛性問題，導致計算過程的穩定性大幅下降。對湍流邊界層采用壁面函數技術來模化處理，可以大幅放寬壁面法向第一層網格的尺度，不再要求第一層網格位于粘性底層內，可以使其位于湍流脈動已充分發展的對數律層內。湍流邊界層壁面函數技術的應用一般情況下可以將壁面法向第一層網格的尺度放大兩到三個數量級。一方面，最細密網格尺度的增加能夠加速計算迭代收斂的過程；另一方面，壁面附近網格長細比的降低能明顯改善數值剛性問題，有利于增強計算過程的穩定性。

采用壁面函數技術模擬湍流邊界層時，首先需要對湍流邊界層進行分層，然后對各層內的流動分別采用不同的函數進行近似模化處理。湍流邊界層分層的主要依據是不同位置的流動特征各不相同。湍流邊界層分為內層和外層，通常情況下，內層又可細分為粘性底層、過渡層和對數律層，外層一般可分為速度虧損層和粘性上層。湍流邊界層的壁面函數技術主要研究湍流邊界層內層中的流動分布情況。

湍流邊界層分層的主要依據是不同層中流動特征各不相同，其具體表現為：粘性底層緊挨于固體壁面，由于受到固體壁面的約束限制，湍流脈動小到可以忽略，流動粘性中分子粘性占主導，湍流渦粘性可以忽略；在對數律層中，湍流脈動充分發展，流動粘性由湍流渦粘性主導，分子粘性效應可以忽略；在粘性底層和對數律層之間的過渡層，分子粘性和湍流渦粘性同等重要，二者共同影響流動分布。

現有技術對湍流邊界層內層進行分層的主要依據是無量綱的壁面距離⁺的取值范圍，且一般認為y⁺≤5為粘性底層，5y⁺30為過渡層，y⁺≥30則為對數律層

盡管目前上述依據無量綱壁面距離y⁺對湍流邊界層進行分層的處理方法得到較為廣泛的應用，但其存在的問題也是顯而易見的，主要有：

1、現有技術的無量綱壁面距離⁺與局部流動特征無直接關系，不能完全體現湍流邊界層內的湍流脈動特征；

2、現有技術的基于無量綱壁面距離⁺的分層判據的確定主要依賴于經驗，缺乏嚴格的理論支撐，其分層標準在具體實施過程中依賴于使用者的經驗，變化范圍較大，影響了對湍流邊界層的模擬精度；

3、在流向壓力梯度不可忽略時，湍流邊界層在壁面法向上的流動分布會發生顯著變化，而現有無量綱壁面距離y⁺判據并不能反映這些變化特征。

這些問題的存在增加了壁面函數方法在湍流邊界層中應用的不確定性，也使得目前壁面函數方法的應用效果嚴重依賴于使用者的經驗，亟待改進分層判據以適應不同流動特征的湍流邊界層，以更好地應用壁面函數方法。