基于有限差分方法的可壓縮流動(dòng)大渦數(shù)值模擬.pdf

1、現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大推重比特性使得其渦輪部件的工作負(fù)荷更高、氣流馬赫數(shù)與子午流道擴(kuò)張角更大，同時(shí)，壓氣機(jī)單級壓比也更大，這就意味著航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪部件內(nèi)部流動(dòng)將極端復(fù)雜，包含大尺度分離、轉(zhuǎn)捩以及激波與邊界層干涉等多種復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)。因此，在CFD技術(shù)已然成為葉輪機(jī)械氣動(dòng)設(shè)計(jì)與流動(dòng)分析主流手段的今天，發(fā)展具有較強(qiáng)間斷捕捉能力、良好粘性結(jié)構(gòu)分辨率并具備較強(qiáng)普適性的數(shù)值計(jì)算程序具有重要意義，而計(jì)算機(jī)性能的快速發(fā)展使得大渦模擬在葉輪機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)的工程化

2、應(yīng)用成為可能。在此背景下，本文從以下方面展開研究：
　　（1）本文基于有限差分方法，將N-S方程的笛卡爾變量投影至任意曲線坐標(biāo)系下進(jìn)行求解，編制了針對可壓縮流動(dòng)的LES數(shù)值計(jì)算程序。程序采用時(shí)間推進(jìn)法進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)嵌的空間離散格式為3階及5階精度的WENO格式，并使用AUSM+-up和Steger-Warming兩種分裂方式構(gòu)造無粘通量，時(shí)間格式為預(yù)估-校正LU-SGS方法，并與2階精度雙時(shí)間步法結(jié)合，以期模擬非定常流動(dòng)。程序使用的

3、亞格子模型為動(dòng)力Smagorinsky渦粘模型。本文設(shè)計(jì)了數(shù)值計(jì)算程序的底層架構(gòu)，并對其進(jìn)行模塊化封裝，編制了通用的邊界條件計(jì)算例程。
　?。?）本文使用編制的CFD程序?qū)ΧS前向臺階激波反射流動(dòng)展開模擬，比較不同離散格式和矢通量分裂方式捕捉激波的能力，考察了程序和數(shù)值方法針對具有復(fù)雜間斷結(jié)構(gòu)的超音速流場的計(jì)算性能。本文對二維凸包通道內(nèi)的亞、超音速無粘流動(dòng)和二維縮放噴管內(nèi)的超音速層流流動(dòng)分別展開模擬，所得結(jié)果與文獻(xiàn)中的計(jì)算或?qū)嶒?yàn)結(jié)

4、果符合較好。計(jì)算了激波與平板層流邊界層的干涉流動(dòng)，獲得的得平板壓力分布與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好相符，流場中的激波反射、分離、再附等復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)得到清晰捕捉，并對不同求解格式的收斂特性進(jìn)行了評估。上述算例使本文所編制數(shù)值計(jì)算程序的可用性得到驗(yàn)證。
　?。?）本文對NACA65平面擴(kuò)壓葉柵在不可壓及亞音速工況下的內(nèi)部流動(dòng)展開大渦模擬，所得翼型表面時(shí)均壓力系數(shù)分布與經(jīng)典文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，證明了程序使用LES方法計(jì)算葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的