大渦模擬濾波網(wǎng)格分析及網(wǎng)格自適應(yīng)控制研究與應(yīng)用.pdf

1、隨著對(duì)湍流研究的不斷發(fā)展和深入，工程界對(duì)于自然環(huán)境和工程流動(dòng)的分析預(yù)報(bào)提出了更多、更高的要求。大渦模擬方法是現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)水平下，對(duì)復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行較精確預(yù)測(cè)的最有效途徑之一。濾波網(wǎng)格尺度是大渦模擬方程中的關(guān)鍵參數(shù)，大渦模擬數(shù)值計(jì)算中濾波網(wǎng)格尺度多通過(guò)計(jì)算網(wǎng)格尺寸的某種函數(shù)式獲得，這便使得大渦模擬計(jì)算結(jié)果從根本上受到計(jì)算網(wǎng)格尺寸和空間疏密分布的直接影響。而基于湍流能譜分布，適宜的濾波網(wǎng)格尺度應(yīng)位于湍流慣性副區(qū)內(nèi)。計(jì)算網(wǎng)格的不合理控制或劃分將會(huì)

2、導(dǎo)致濾波網(wǎng)格尺度的計(jì)算值和適宜值不相匹配，進(jìn)而影響著大渦模擬計(jì)算結(jié)果的合理性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。因此，本文將主要研究焦點(diǎn)定位于開(kāi)展大渦模擬中適宜濾波網(wǎng)格尺度的深入理論研究，嘗試解決基于湍流物理意義上的適宜濾波網(wǎng)格尺度確定的基礎(chǔ)問(wèn)題；并致力于從物理意義層面上來(lái)建立合理、可行的針對(duì)大渦模擬方法的計(jì)算網(wǎng)格控制機(jī)制。
　　 本文深入開(kāi)展了大渦模擬適宜濾波網(wǎng)格尺度的理論研究，首次提出了湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)中的“能量比系數(shù)”概念，依據(jù)湍流理論和大渦模

3、擬方法思想，從慣性副區(qū)的能譜分布規(guī)律出發(fā)，合理導(dǎo)出了適宜濾波網(wǎng)格尺度的計(jì)算表達(dá)式；基于大渦模擬控制方程，并結(jié)合Karman-Howarth方程推導(dǎo)思路，從另一角度建立了適宜濾波網(wǎng)格尺度的又一等量計(jì)算表達(dá)式；確定了反映適宜濾波網(wǎng)格尺度的湍流參數(shù)(包含湍動(dòng)能、湍流耗散率和“能量比系數(shù)”)?；谕牧鞑煌謪^(qū)特征，給出了適宜濾波網(wǎng)格尺度計(jì)算式中“能量比系數(shù)”的合理取值范圍；借助小波分析多尺度方法，并結(jié)合不同流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析，進(jìn)一步得

4、出了“能量比系數(shù)”的綜合推薦方程。
　　 為實(shí)現(xiàn)本文所提的大渦模擬適宜濾波網(wǎng)格尺度計(jì)算，開(kāi)展了相應(yīng)的支撐性研究工作。為給大渦模擬適宜濾波網(wǎng)格計(jì)算中分析信號(hào)樣本數(shù)的設(shè)定提供理論依據(jù)，結(jié)合小波分析和統(tǒng)計(jì)檢測(cè)理論，提出了一種相對(duì)合理的確定湍流采樣數(shù)據(jù)量尺度的方法；為給大渦模擬適宜濾波網(wǎng)格計(jì)算中提供優(yōu)選的小波基函數(shù)，基于湍流時(shí)頻特性和信息熵理論，建立了以品質(zhì)因數(shù)和特征譜熵值為評(píng)價(jià)指標(biāo)的小波基選取流程；為給大渦模擬適宜濾波網(wǎng)格計(jì)算中提供可

5、靠的湍流采樣信號(hào)數(shù)據(jù)，提出了一種改進(jìn)的小波閾值消噪方法，以盡可能地消除湍流數(shù)據(jù)采集中的干擾噪聲污染。為有效辨識(shí)區(qū)分湍流不同流動(dòng)尺度特征，提出了一種基于小波和雙譜分析的辨識(shí)相干結(jié)構(gòu)的方法，建立了基于小波分析辨識(shí)湍流含能尺度的能量最大準(zhǔn)則。
　　 本文基于“濾波網(wǎng)格尺度計(jì)算值(計(jì)算網(wǎng)格尺寸的函數(shù))與適宜濾波網(wǎng)格尺度相匹配”的思路，提出了具備一定物理意義的大渦模擬網(wǎng)格自適應(yīng)控制新方法。該方法能通過(guò)自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)格劃分和疏密分布，建立

6、與適宜濾波網(wǎng)格尺度相匹配的計(jì)算網(wǎng)格分布。首次定義了新的針對(duì)大渦模擬計(jì)算網(wǎng)格的自適應(yīng)調(diào)整指標(biāo)-“網(wǎng)格比系數(shù)”，并給出了自適應(yīng)網(wǎng)格控制中近壁面計(jì)算網(wǎng)格處理的合理方法。通過(guò)網(wǎng)格自適應(yīng)指標(biāo)的不斷調(diào)整，使得計(jì)算網(wǎng)格分布和適宜濾波網(wǎng)格尺度相適應(yīng)，并可以在雷諾時(shí)均計(jì)算網(wǎng)格的基礎(chǔ)上逐步調(diào)整出適于大渦模擬的計(jì)算網(wǎng)格。本文成功應(yīng)用新方法實(shí)現(xiàn)了雷諾數(shù)Re=5147后臺(tái)階流動(dòng)、雷諾數(shù)Re=37500后臺(tái)階流動(dòng)和雷諾數(shù)Re=5730經(jīng)典槽道流動(dòng)的大渦模擬網(wǎng)格自適

7、應(yīng)控制，進(jìn)行了三個(gè)流動(dòng)應(yīng)用實(shí)例的自適應(yīng)網(wǎng)格大渦模擬結(jié)果、精細(xì)網(wǎng)格(其網(wǎng)格數(shù)約為自適應(yīng)網(wǎng)格數(shù)的3倍)大渦模擬結(jié)果、直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。結(jié)果表明，自適應(yīng)網(wǎng)格的大渦模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)符合良好；自適應(yīng)網(wǎng)格可以在網(wǎng)格總數(shù)相對(duì)少的情況可以通過(guò)自適應(yīng)控制網(wǎng)格分布取得與精細(xì)計(jì)算網(wǎng)格幾乎相近的流動(dòng)數(shù)據(jù)。通過(guò)自適應(yīng)控制可改進(jìn)大渦模擬計(jì)算網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格分布的質(zhì)量，并能有效降低數(shù)值計(jì)算代價(jià)。結(jié)論有效驗(yàn)證了本文所提的適宜濾波網(wǎng)

8、格尺度和新方法的合理性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。
　　 本文首次應(yīng)用新方法更深入地開(kāi)展了等寬離心風(fēng)機(jī)葉輪流道大渦模擬計(jì)算網(wǎng)格的網(wǎng)格指標(biāo)分布以及自適應(yīng)調(diào)整、大渦模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析等工作。開(kāi)展了可視化低速等寬離心風(fēng)機(jī)葉輪性能測(cè)試和內(nèi)部流道PIV測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究，有效獲取了三種不同風(fēng)機(jī)葉片的內(nèi)部流速分布和性能數(shù)據(jù)。本文實(shí)現(xiàn)了三種不同風(fēng)機(jī)葉片的離心葉輪流道的大渦模擬網(wǎng)格自適應(yīng)控制調(diào)整，所得適于離心葉輪流道的計(jì)算網(wǎng)格分布與旋轉(zhuǎn)流道流動(dòng)特征