專利名稱：一種用于數(shù)值模擬的湍流入口生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及湍流入口生成方法。
背景技術(shù)：
流體力學(xué)中一個(gè)至今尚未解決的難題就是湍流問題。在一定的流動(dòng)條件下，分層流動(dòng)(層流)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢ǔ潭壬想s亂無章的流動(dòng)(湍流)。湍流是一種自然界普遍存在的、非常重要的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但是目前對(duì)于湍流的研究和認(rèn)識(shí)還相當(dāng)有限。湍流的出現(xiàn)，將導(dǎo)致流場中的質(zhì)量、動(dòng)量及能量輸運(yùn)過程出現(xiàn)急劇改變，因此在很多情況下必須考慮瑞流的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)的發(fā)展，數(shù)值模擬在涉及湍流問題的流體力學(xué)研究中發(fā)揮出越來越重要的作用，并可以提供許多實(shí)驗(yàn)難以獲取的信息。為了使數(shù)值模擬條件及結(jié)果更加貼近物理實(shí)際，需要在數(shù)值模擬中合理考慮湍流的影響。由于下游流場通常強(qiáng)烈依賴于上游入口邊界條件，對(duì)于空間發(fā)展湍流的數(shù)值模擬，需要在上游入口邊界指定合理的湍流入口條件。常用的湍流入口邊界條件生成方法有如下幾種第一種是邊界層自然轉(zhuǎn)捩計(jì)算式入口邊界條件生成方法。這種方法需要將計(jì)算域入口取至上游層流段，并根據(jù)流動(dòng)最不穩(wěn)定特征模態(tài)或者通過拋物化穩(wěn)定性方程求解出擾動(dòng)量，添加至層流參數(shù)剖面上，激勵(lì)流動(dòng)在短距離內(nèi)完成轉(zhuǎn)捩成為充分發(fā)展的湍流。這種方法最大的缺點(diǎn)是計(jì)算量極其巨大，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目不夠時(shí)往往無法得到合理的結(jié)果，所以這種方法通常僅用于層流一湍流轉(zhuǎn)捩問題本身的研究。第二種是合成湍流式入口邊界條件生成方法。它是指基于一些隨機(jī)過程和湍流理論人工產(chǎn)生湍流脈動(dòng)信號(hào)的方法。這種方法通常在產(chǎn)生脈動(dòng)的過程中僅僅考慮時(shí)間平均量和低階統(tǒng)計(jì)參數(shù)，并不能保證高階統(tǒng)計(jì)參數(shù)和相位信息的正確性，所以提供的流場是真實(shí)湍流流場的一個(gè)粗糙近似，需要經(jīng)歷一個(gè)過渡段才有可能發(fā)展成為真實(shí)的湍流。第三種是流場參數(shù)“回收/調(diào)節(jié)”式湍流入口條件生成方法。其基本思想是將充分發(fā)展的湍流邊界層下游某平面內(nèi)的流場脈動(dòng)參數(shù)“回收”起來，根據(jù)湍流邊界層的相似理論進(jìn)行相應(yīng)的“調(diào)節(jié)”，然后疊加至入口平均剖面上，使得入口能夠保持一定程度的湍流脈動(dòng)，激勵(lì)并維持湍流的擬序結(jié)構(gòu)。這種方法采用計(jì)算本身得到的部分流場信息來給定湍流入口脈動(dòng)邊界條件，因此可以大大節(jié)省計(jì)算資源；此外，由于脈動(dòng)信息來自真實(shí)湍流場，因此該方法和N-S(Navier-Stokes)方程的相容性很好。雖然“回收/調(diào)節(jié)”方法有較好的理論基礎(chǔ)，但在應(yīng)用時(shí)也存在一些問題，比較突出的一個(gè)就是流場初始化問題。從“回收/調(diào)節(jié)”方法的實(shí)現(xiàn)過程易知，如果采用時(shí)均化流場進(jìn)行初始化，回收平面最初沒有任何脈動(dòng)信息，這會(huì)導(dǎo)致入口處也無任何脈動(dòng)信息，從而無法激勵(lì)出湍流結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的解決措施有三種一是添加隨機(jī)擾動(dòng)；二是添加合成湍流；三是將已有類似計(jì)算結(jié)果的脈動(dòng)信息經(jīng)過相似變換后添加至擬計(jì)算流場。雖然第三種方法可以直接引入湍流大尺度擬序結(jié)構(gòu)，從而縮短達(dá)到充分發(fā)展湍流的過渡時(shí)間，但在很多情況下并無可用的“已有計(jì)算結(jié)果”。前兩種方法通常只能產(chǎn)生小尺度脈動(dòng)，且由于和N-S方程相容性不好，脈動(dòng)容易衰減，無法快速過渡到充分發(fā)展的湍流狀態(tài)。
現(xiàn)有技術(shù)的不足1、邊界層自然轉(zhuǎn)捩方法和合成湍流式入口生成方法都有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、計(jì)算量大的缺點(diǎn)。2、現(xiàn)有的“回收/調(diào)節(jié)”初始化方法，由于早期脈動(dòng)容易衰減，過渡到充分發(fā)展湍流的時(shí)間很長，通常需要10個(gè)左右流動(dòng)特征時(shí)間(此處流動(dòng)特征時(shí)間定義為流體以自由流速度從入口平面3運(yùn)動(dòng)至回收平面4所需的時(shí)間，見

圖1)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于數(shù)值模擬的湍流入口生成方法，能夠提供一種用于非定常湍流流動(dòng)數(shù)值模擬的湍流入口生成方法，該方法簡單易行、便于控制、過渡到充分發(fā)展湍流的時(shí)間短。本發(fā)明一種用于數(shù)值模擬的湍流入口生成方法，包括以下步驟步驟一、采用已知固定入口平面3參數(shù)條件的定常計(jì)算模型，得到整個(gè)數(shù)值模擬區(qū)域I的平均參數(shù)，選取回收平面4，并存儲(chǔ)回收平面的平均參數(shù)；入口平面3的參數(shù)條件這其中巧為入口平均流向速度Λ為入口平均橫向速度，■^為入口平均展向速度，瓦為入口平均壓力，f為入口平均溫度，Λ為入口平均密度；利用數(shù)值模擬軟件得到整個(gè)數(shù)值模擬區(qū)域I的平均參數(shù)g =沿為平均流向速度，7為平均橫向速度，兩為平均橫向速度，及為平均壓力，f為平均溫度，P為平均密度；回收平面的平均參數(shù)么=( ，K，5，A).1 UR,VR, Wr , Pr , Tr，A分別為回收平面的平均流向速度、平均橫向速度、平均橫向速度、平均壓力、平均溫度、平均密度；步驟二、設(shè)定數(shù)值模擬非定常湍流的初始條件；在數(shù)值模擬區(qū)域的平均速度場P了,訴)上添加幅值約為O.1彡A彡O. 3的隨機(jī)擾動(dòng)作為三維流場的速度場初始條件(Utl, V0, W0),即
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)值模擬的湍流入口生成方法，包括以下步驟步驟一、采用已知固定入口平面(3)參數(shù)條件的定常計(jì)算模型，得到整個(gè)數(shù)值模擬區(qū)域(I)的平均參數(shù)，選取回收平面(4)，并存儲(chǔ)回收平面(4)的平均參數(shù)；入口平面(3)的參數(shù)條件旮其中巧為入口平均流向速度，5為入口平均橫向速度，A為入口平均展向速度，Λ為入口平均壓力，f為入口平均溫度，巧為入口平均密度；利用數(shù)值模擬軟件得到整個(gè)數(shù)值模擬區(qū)域(I)的平均參數(shù)G = (IR鞏瓦f，刃，&為平均流向速度，7為平均橫向速度，■^為平均橫向速度，及為平均壓力，f為平均溫度，P為平均密度；回收平面⑷的平均參數(shù)“GA).瓦，&分別為回收平面(4)的平均流向速度、平均橫向速度、平均橫向速度、平均壓力、平均溫度、平均密度；步驟二、設(shè)定數(shù)值模擬非定常湍流的初始條件；在數(shù)值模擬區(qū)域的平均速度場(HW)上添加幅值約為O.1彡A彡O. 3的隨機(jī)擾動(dòng)作為三維流場的速度場初始條件(Uci, V0, W0),即
全文摘要
本發(fā)明一種用于數(shù)值模擬的湍流入口生成方法，步驟一、采用已知固定入口平面參數(shù)條件的定常計(jì)算模型，得到整個(gè)數(shù)值模擬區(qū)域的平均參數(shù)，選取回收平面，并存儲(chǔ)回收平面的平均參數(shù)；步驟二、設(shè)定數(shù)值模擬非定常湍流的初始條件；步驟三、提取回收平面的脈動(dòng)信息；步驟四、獲取入口平面的湍流脈動(dòng)；步驟五、生成湍流入口條件。本發(fā)明能夠提供一種用于非定常湍流流動(dòng)數(shù)值模擬的湍流入口生成方法，該方法簡單易行、便于控制、過渡到充分發(fā)展湍流的時(shí)間短。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103020398SQ201210595659
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者汪洪波, 王振國, 孫明波, 吳海燕 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)