专利名称：一种用于数值模拟的湍流入口生成方法
技术领域：
本发明涉及计算流体力学领域，具体涉及湍流入口生成方法。
背景技术：
流体力学中一个至今尚未解决的难题就是湍流问题。在一定的流动条件下，分层流动(层流)会转变为在一定程度上杂乱无章的流动(湍流)。湍流是一种自然界普遍存在的、非常重要的流体运动状态，但是目前对于湍流的研究和认识还相当有限。湍流的出现，将导致流场中的质量、动量及能量输运过程出现急剧改变，因此在很多情况下必须考虑瑞流的影响。随着计算机技术和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的发展，数值模拟在涉及湍流问题的流体力学研究中发挥出越来越重要的作用，并可以提供许多实验难以获取的信息。为了使数值模拟条件及结果更加贴近物理实际，需要在数值模拟中合理考虑湍流的影响。由于下游流场通常强烈依赖于上游入口边界条件，对于空间发展湍流的数值模拟，需要在上游入口边界指定合理的湍流入口条件。常用的湍流入口边界条件生成方法有如下几种第一种是边界层自然转捩计算式入口边界条件生成方法。这种方法需要将计算域入口取至上游层流段，并根据流动最不稳定特征模态或者通过抛物化稳定性方程求解出扰动量，添加至层流参数剖面上，激励流动在短距离内完成转捩成为充分发展的湍流。这种方法最大的缺点是计算量极其巨大，当网格数目不够时往往无法得到合理的结果，所以这种方法通常仅用于层流一湍流转捩问题本身的研究。第二种是合成湍流式入口边界条件生成方法。它是指基于一些随机过程和湍流理论人工产生湍流脉动信号的方法。这种方法通常在产生脉动的过程中仅仅考虑时间平均量和低阶统计参数，并不能保证高阶统计参数和相位信息的正确性，所以提供的流场是真实湍流流场的一个粗糙近似，需要经历一个过渡段才有可能发展成为真实的湍流。第三种是流场参数“回收/调节”式湍流入口条件生成方法。其基本思想是将充分发展的湍流边界层下游某平面内的流场脉动参数“回收”起来，根据湍流边界层的相似理论进行相应的“调节”，然后叠加至入口平均剖面上，使得入口能够保持一定程度的湍流脉动，激励并维持湍流的拟序结构。这种方法采用计算本身得到的部分流场信息来给定湍流入口脉动边界条件，因此可以大大节省计算资源；此外，由于脉动信息来自真实湍流场，因此该方法和N-S(Navier-Stokes)方程的相容性很好。虽然“回收/调节”方法有较好的理论基础，但在应用时也存在一些问题，比较突出的一个就是流场初始化问题。从“回收/调节”方法的实现过程易知，如果采用时均化流场进行初始化，回收平面最初没有任何脉动信息，这会导致入口处也无任何脉动信息，从而无法激励出湍流结构。相应的解决措施有三种一是添加随机扰动；二是添加合成湍流；三是将已有类似计算结果的脉动信息经过相似变换后添加至拟计算流场。虽然第三种方法可以直接引入湍流大尺度拟序结构，从而缩短达到充分发展湍流的过渡时间，但在很多情况下并无可用的“已有计算结果”。前两种方法通常只能产生小尺度脉动，且由于和N-S方程相容性不好，脉动容易衰减，无法快速过渡到充分发展的湍流状态。
现有技术的不足1、边界层自然转捩方法和合成湍流式入口生成方法都有实现复杂、计算量大的缺点。2、现有的“回收/调节”初始化方法，由于早期脉动容易衰减，过渡到充分发展湍流的时间很长，通常需要10个左右流动特征时间(此处流动特征时间定义为流体以自由流速度从入口平面3运动至回收平面4所需的时间，见
图1)。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种用于数值模拟的湍流入口生成方法，能够提供一种用于非定常湍流流动数值模拟的湍流入口生成方法，该方法简单易行、便于控制、过渡到充分发展湍流的时间短。本发明一种用于数值模拟的湍流入口生成方法，包括以下步骤步骤一、采用已知固定入口平面3参数条件的定常计算模型，得到整个数值模拟区域I的平均参数，选取回收平面4，并存储回收平面的平均参数；入口平面3的参数条件这其中巧为入口平均流向速度Λ为入口平均横向速度，■^为入口平均展向速度，瓦为入口平均压力，f为入口平均温度，Λ为入口平均密度；利用数值模拟软件得到整个数值模拟区域I的平均参数g =沿为平均流向速度，7为平均横向速度，兩为平均横向速度，及为平均压力，f为平均温度，P为平均密度；回收平面的平均参数么=( ，K，5，A).1 UR,VR, Wr , Pr , Tr，A分别为回收平面的平均流向速度、平均横向速度、平均横向速度、平均压力、平均温度、平均密度；步骤二、设定数值模拟非定常湍流的初始条件；在数值模拟区域的平均速度场P了,诉)上添加幅值约为O.1彡A彡O. 3的随机扰动作为三维流场的速度场初始条件(Utl, V0, W0),即
权利要求
1.一种用于数值模拟的湍流入口生成方法，包括以下步骤步骤一、采用已知固定入口平面(3)参数条件的定常计算模型，得到整个数值模拟区域(I)的平均参数，选取回收平面(4)，并存储回收平面(4)的平均参数；入口平面(3)的参数条件旮其中巧为入口平均流向速度，5为入口平均横向速度，A为入口平均展向速度，Λ为入口平均压力，f为入口平均温度，巧为入口平均密度；利用数值模拟软件得到整个数值模拟区域(I)的平均参数G = (IR巩瓦f，刃，&为平均流向速度，7为平均横向速度，■^为平均横向速度，及为平均压力，f为平均温度，P为平均密度；回收平面⑷的平均参数“GA).瓦，&分别为回收平面(4)的平均流向速度、平均横向速度、平均横向速度、平均压力、平均温度、平均密度；步骤二、设定数值模拟非定常湍流的初始条件；在数值模拟区域的平均速度场(HW)上添加幅值约为O.1彡A彡O. 3的随机扰动作为三维流场的速度场初始条件(Uci, V0, W0),即
全文摘要
本发明一种用于数值模拟的湍流入口生成方法，步骤一、采用已知固定入口平面参数条件的定常计算模型，得到整个数值模拟区域的平均参数，选取回收平面，并存储回收平面的平均参数；步骤二、设定数值模拟非定常湍流的初始条件；步骤三、提取回收平面的脉动信息；步骤四、获取入口平面的湍流脉动；步骤五、生成湍流入口条件。本发明能够提供一种用于非定常湍流流动数值模拟的湍流入口生成方法，该方法简单易行、便于控制、过渡到充分发展湍流的时间短。
文档编号G06F17/50GK103020398SQ201210595659
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者汪洪波, 王振国, 孙明波, 吴海燕 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学