大渦模擬濾波網(wǎng)格尺度研究及其應(yīng)用.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，數(shù)值模擬方法在湍流研究中的重要性也在不斷增強(qiáng)。在各種數(shù)值模擬方法中，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)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的最有效途徑之一。大渦模擬濾波網(wǎng)格分布與計(jì)算質(zhì)量有著直接聯(lián)系，在現(xiàn)有的亞格子應(yīng)力模型仍存有局限性的情況下，改進(jìn)網(wǎng)格分布、以在盡可能小的網(wǎng)格總數(shù)下得到較好的網(wǎng)格分布，仍有著極為重要的意義。而在網(wǎng)格疏密的準(zhǔn)則方面，目前僅在邊界層區(qū)域有所依據(jù)。因此，本文目的為研究大渦模擬濾波網(wǎng)格的分布規(guī)律，并建

2、立以特征頻帶湍動(dòng)值新概念為標(biāo)志的網(wǎng)格疏密準(zhǔn)則，以在計(jì)算條件所允許的盡可能小的計(jì)算量下，改進(jìn)大渦模擬的計(jì)算質(zhì)量。為了驗(yàn)證該方法，對(duì)經(jīng)典的后臺(tái)階流動(dòng)與離心葉輪流道計(jì)算進(jìn)行了大渦模擬計(jì)算和網(wǎng)格調(diào)整，在調(diào)整后的網(wǎng)格上得到了更接近于實(shí)驗(yàn)值的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，通過(guò)流場(chǎng)分析，了解各典型流場(chǎng)中各空間位置處湍動(dòng)能的能譜分布及其對(duì)應(yīng)的渦尺度大小。主要有以下內(nèi)容與創(chuàng)新： 一.提出一種基于局部空間湍流能譜分布的調(diào)整局部濾波網(wǎng)格尺度的新理論與方法，該方法成

3、功地應(yīng)用于大渦模擬中，經(jīng)與若干算例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，被證明在少量增加網(wǎng)格數(shù)量的情況下，可有效地提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 二.使用小波分析方法對(duì)信號(hào)能譜分布和濾波網(wǎng)格尺度間關(guān)系進(jìn)行了研究。以局部速度信號(hào)隨時(shí)間的變化歷程為對(duì)象，以能量比例閾值劃分出特定頻帶的信號(hào)成分。憑借小波分析方法的時(shí)空雙局域性功能，同時(shí)得到此頻帶信號(hào)成分的特征頻帶名義頻率和特征頻帶速度幅值兩方面特征。為了尋找能描述濾波網(wǎng)格尺度的適宜準(zhǔn)則，在上述分析的基礎(chǔ)上，首次提出

4、了特征頻帶湍動(dòng)值概念。此新概念與已有的描述流場(chǎng)湍動(dòng)情況的參數(shù)(如湍流度)不同。它所研究的對(duì)象是某個(gè)頻帶區(qū)內(nèi)的信號(hào)成分。該新概念能更好地描述流動(dòng)的能量在不同時(shí)間(或空間)尺度上的分布。據(jù)此可以調(diào)整濾波網(wǎng)格尺度。這種網(wǎng)格布置方法，可以在能量的層面上，充分考慮被濾波部分信號(hào)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。 三.根據(jù)所提出的特征頻帶湍動(dòng)值，對(duì)局部信號(hào)濾波網(wǎng)格的適宜尺度進(jìn)行量化計(jì)算。其結(jié)果表明，特征頻帶湍動(dòng)值數(shù)據(jù)能夠合理地反映局部湍動(dòng)能譜的頻率分布與尺

5、度之間的關(guān)系，并可廣泛用于各種雷諾數(shù)和物理邊界條件下的大渦模擬計(jì)算中。 四.根據(jù)上述理論和計(jì)算方法，編制相應(yīng)的程序，該程序具有整場(chǎng)特征頻帶湍動(dòng)值分析與濾波網(wǎng)格調(diào)整功能。應(yīng)用該程序?qū)蓚€(gè)參數(shù)差異較大的后臺(tái)階流動(dòng)進(jìn)行大渦模擬計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格疏密比較、分析與調(diào)整，然后再在調(diào)整后的網(wǎng)格上進(jìn)行再次計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與該兩流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)值(包括回流區(qū)再附點(diǎn)位置)進(jìn)行了比較，表明所提出的局部濾波網(wǎng)格尺度的新概念與相應(yīng)的網(wǎng)格調(diào)整方法是合理、可靠的。