[發明專利]考慮可壓縮和熱傳導效應的壁面第一層網格厚度估算方法

有效

• 申請號: 202110275314.2
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113051846B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 牟斌;王建濤;張倫;蔣浩;馬率;肖中云;張露;王子維;劉釩;崔興達
• 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: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 何祖斌

本發明屬于計算流體力學網格前處理技術領域，具體涉及考慮可壓縮和熱傳導效應的壁面第一層網格厚度估算方法。其技術方案為：考慮可壓縮和熱傳導效應的壁面第一層網格厚度估算方法，包括如下步驟：S1：給定計算工況；S2：計算出可壓縮摩阻系數C_f；S3：分別計算出壁面無量綱粘性系數壁面無量綱密度和網格雷諾數Reue；S4：根據給定的y⁺值，求出壁面第一層網格厚度y。本發明提供了一種考慮可壓縮和熱傳導效應的壁面第一層網格厚度估算方法。

技術領域

本發明屬于計算流體力學網格前處理技術領域，具體涉及考慮可壓縮和熱傳導效應的壁面第一層網格厚度估算方法。

背景技術

CFD數值模擬過程包括網格前處理、流場求解和后處理三部分。計算網格的合理設計和高質量生成是CFD計算可靠性的前提條件，隨著復雜流動問題研究的進一步發展，CFD數值模擬對網格生成效率和質量提出了更高的要求，高質量網格是影響CFD計算的關鍵因素之一。

研究表明，近壁面區域根據流動狀態的不同可以分為三層，自壁面向流動核心區分別為：粘性底層(viscous sublayer)、過渡層(buffer layer)和對數率層(log-lawlayer)。對于近壁區域的求解，主要集中在粘性底層的求解上，主要有兩種方式，一是加密網格，使網格滿足粘性計算需要；另一種是使用壁面函數法(wall function)。對于兩種方法的選取，可以通過y⁺來體現。y⁺是與第一層網格厚度y和具體流動特征參數(密度ρ，壁面摩擦速度u_τ和粘性系數μ)有關的無量綱距離，表征了第一層網格高度。其定義為：

不同湍流模型對y⁺的分布有不同的要求。對于低雷諾數湍流模型(如k-ω模型、SA模型等)，不使用壁面函數，需要保證y⁺1為佳；需要用到壁面函數的湍流模型(如k-epsilon模型、雷諾應力模型等)，通常需要確保y⁺為30～200。

為了能在CFD數值模擬中準確計算實際工程所關心的摩阻、熱流等物理量，同時控制網格數量以減少計算成本，可以根據y⁺來指導第一層網格的厚度。但所需變量u_τ涉及到壁面剪切應力τ_w的值，壁面剪切應力的計算又涉及到速度梯度的計算，但劃分網格時流場還未知，由此陷入死循環。因此，在實際工程應用中，通常引入壁面摩阻系數C_f來計算出壁面剪切應力。

現行方法存在的問題是：計算出的粘性系數μ、流體密度ρ和摩阻系數C_f通常不考慮壓縮效應及熱傳導。對于低馬赫數絕熱壁問題能保證計算的準確性，但對于高馬赫數可壓縮或者等溫壁的誤差很大，估算的網格高度甚至比實際需要的密幾個量級，不能正確指導第一層網格的劃分，大大浪費了計算資源及計算時間。

發明內容

為了解決現有技術存在的上述問題，本發明目的在于提供一種考慮可壓縮和熱傳導效應的壁面第一層網格厚度估算方法。

本發明所采用的技術方案為：

考慮可壓縮和熱傳導效應的壁面第一層網格厚度估算方法，包括如下步驟：

S1：給定計算工況：流場馬赫數M_∞、雷諾數Re_L、邊界溫度T_∞、壁面溫度與絕熱壁面溫度比值T_w/T_aw；以及湍流復溫系數r、氣體比熱比γ；Sutherland粘性公式常數T₀，μ₀，S；實際尺寸與網格尺寸比值Cr，以及所需y⁺值；

S2：按以下公式計算出可壓縮摩阻系數C_f；