不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法

不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法
【专利摘要】本发明提供了一种不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法。该不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法，包括：在主计算区域入口上游创建入口条件生成区域，入口条件生成区域的出口处的湍流速度场为主计算区域的入口条件；根据入口条件生成区域出口处的湍流速度场通过循环技术来确定入口条件生成区域的入口条件；对入口条件生成区域的速度场进行循环调制，使入口条件生成区域出口处的湍流速度场满足给定的主计算区域入口速度平均值和脉动值。该方法可以得到更加真实准确的入口条件，为真实湍流提供更加精确的湍流入口，计算精度更高，可以准确模拟湍流边界层自由发展的过程。
【专利说明】不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及空气动力设计领域，具体而言，涉及一种不可压流大涡模拟的湍流入 口条件生成方法。

【背景技术】
[0002] 在吸气式发动机燃烧室里，湍流决定着燃料的混合与燃烧，对发动机的性能有着 重要影响。随着计算机计算速度的提高和数值计算方法的发展，流体计算力学在燃烧室内 流动和燃烧研究方面起了巨大的推动作用。在20世纪，由于计算能力的限制，雷诺平均方 法在工程应用的流体计算领域占据着绝对的主导地位。雷诺平均方法只计算速度场和标量 场的时均值，并模化湍流运动对时均速度场和时均标量场的影响。然而，雷诺平均模型无法 准确地预测涡结构对燃料输运混合的影响，导致计算结果相对于试验结果误差较大。在21 世纪，大涡模拟得到了越来越广泛的应用，大涡模拟直接求解大尺度涡结构，模化小尺度涡 结构对流动和混合的影响。因为燃料的混合主要由大涡运动控制，因此大涡模拟可以更准 确地预测燃料混合和燃烧过程。
[0003] 大涡模拟中，入口条件明显地影响下游的发展，真实的湍流入口条件是准确预测 下游流场的必要条件。
[0004] 为了生成湍流入口条件，发展了很多方法，主要可分为两大类：合成式湍流生成方 法和循环式湍流生成方法。
[0005] 最简单的合成式湍流生成方法是在假设的或已知的平均速度上叠加白噪声。然 而，由于白噪声的不相关性，所生成的脉动缺乏有序的大尺度结构，导致这些脉动在入口下 游很快地耗散了，需要很长的过渡区域恢复真实的自相关湍流结构。在更先进的合成式湍 流生成方法中，入口处的一些湍流统计信息被用来生成所需时变速度场，例如对给定的湍 动能能量谱进行反傅里叶变换；数字滤波，给定湍流尺度和自相关函数，通过调整系数来满 足给定的速度平均值和脉动值。所有的合成式湍流生成方法有两个缺点：需要一定长度的 过渡区域来得到真实的湍流；大多数先进的方法需要给定苛刻的湍流信息，如湍流尺度和 自相关函数。
[0006] 建立在循环技术上的湍流生成方法可以避免上面两个问题。这种方法首先被用于 充分发展的管道流动，在入口和出口采用周期边界条件。后来，循环技术通过坐标变换用于 空间发展边界层的直接数值模拟，变换后的流场在主流方向上接近同性（即没有变化），使 用周期边界条件。为了避免复杂的坐标变换，Lund et al发展了一种更简单的循环/调制 方法，将下游某一特定平面的瞬时速度场根据边界层自相似法则调制，作为计算域入口的 边界条件。上面这几种循环式湍流生成方法局限于边界层。Pierce通过调制整个计算区 域，使得这种循环式湍流生成方法适合于为任何平行流动或缓慢发展流动提供湍流入口条 件。通过这种方法调制后的流场在主流方向上同性且满足指定速度平均值和脉动值，可将 下游某一特定平面的瞬时速度场直接循环作为计算域入口的边界条件。
[0007] Pierce的循环/调制方法在计算速度平均值和脉动值时只采用了一个方向上的 空间平均，因此计算误差较大，难以保证最终生成的湍流达到足够的真实度。


【发明内容】

[0008] 本发明旨在提供一种不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法，计算精度高， 能够为真实湍流提供精确的湍流入口。
[0009] 为了实现上述目的，本发明提供了一种不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方 法，包括：在主计算区域入口上游创建入口条件生成区域，入口条件生成区域的出口处的湍 流速度场为主计算区域的入口条件；根据入口条件生成区域出口处的湍流速度场通过循环 技术来确定入口条件生成区域的入口条件；对入口条件生成区域的速度场进行循环调制， 使入口条件生成区域出口处的湍流速度场满足给定的主计算区域入口速度平均值和脉动 值。
[0010] 进一步地，入口条件生成区域的展向和壁面垂直方向的尺寸与主计算区域一致， 且该入口条件生成区域的流向方向尺寸使得入口条件生成区域在流向方向上的入口端和 出口端的速度相关性为零。
[0011] 进一步地，确定入口条件生成区域的入口条件的步骤包括：对入口条件生成区域 在流动同性方向上采用均匀网格，以保证调制过程中对流场作用的均匀性和空间过滤影响 的均匀性。
[0012] 进一步地，在对入口条件生成区域的速度场进行循环调制的步骤之前还包括： 初始化入口条件生成区域和主计算区域的速度场；在平均速度乂y)上叠加强度为 U' togrt(y)的白噪声，在平均速度匕￥(少)上叠加强度为V' togrt(y)的白噪声，在平均速 度上叠加强度为W' (y)的白噪声。
[0013] 进一步地，对入口条件生成区域的速度场进行循环调制的步骤包括：在入口条件 生成区域和主计算区域上同时进行数值计算，每k个时间步调制一次入口条件生成区域的 速度场。
[0014] 进一步地，调制速度场的步骤包括：通过流向方向和展向方向的空间平均及权数 以指数形式衰减的时间平均来计算平均速度；通过流向方向和展向方向的空间平均及权数 以指数形式衰减的时间平均来计算速度场脉动值。
[0015] 进一步地，计算速度场脉动值的步骤之后还包括：对瞬时速度场进行循环调制，使 速度场满足给定的速度场平均值和脉动值。
[0016] 应用本发明的技术方案，不可压流大涡模拟湍流的湍流入口条件生成方法根据最 终所要确定的主计算区域的入口条件来确定满足该主计算区域的入口条件生成区域，并根 据确定的所要满足的入口条件对入口条件生成区域进行循环调制，最终使入口条件生成区 域所形成的出口条件满足主计算区域的入口条件，从而可以得到更加真实准确的入口条 件，为真实湍流提供更加精确的湍流入口，计算精度更高，可以准确模拟湍流边界层自由发 展的过程。

【专利附图】

【附图说明】
[0017] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0018] 图1示出了根据本发明的湍流边界层计算区域结构；以及
[0019] 图2示出了根据本发明的湍流入口条件生成方法得到的瞬时速度等值线图。

【具体实施方式】
[0020] 下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的 情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0021] 假设主计算区域入口处的速度场平均值和脉动值通过试验测量或数值仿真（如 雷诺平均方法）给定，作为已知条件。根据本发明的实施例，不可压流大涡模拟湍流的湍流 入口条件生成方法包括以下步骤：根据设计要求在主计算区域入口上游创建入口条件生成 区域，入口条件生成区域出口处的湍流速度场为主计算区域的入口条件；根据入口条件生 成区域出口处的湍流速度场通过循环技术来确定入口条件生成区域的入口条件；对入口条 件生成区域的速度场进行调制。
[0022] 本发明首先确定主计算区域的入口条件生成区域，然后利用已知的主计算区 域入口处速度场平均值和脉动值对入口条件生成区域的速度场进行调制，并利用循环 技术（出口处的速度场作为入口条件，BP U(x = -10 s，y, Z, t) = U(x = 0, y, z, t), V(x =-10 S，y, z, t) = V (x = 0, y, z, t), W (x = -10 S，y, z, t) = W (x = 0, y, z, t))确定入口 条件生成区域的入口条件，使入口条件生成区域所形成的出口湍流速度场具有有序的大涡 结构并同时满足给定的主计算区域入口处速度平均值和脉动值，为主计算区域提供真实准 确的湍流入口条件，从而可以准确模拟湍流边界层自由发展的过程。
[0023] 以上述方式所确定的湍流入口条件，由于其依据主计算区域入口处的速度场平均 值和脉动值作为已知条件反向求解，因此可以根据任何给定的主计算区域入口处的速度场 平均值和脉动值对湍流入口条件进行求解，确定入口条件生成区域，并最终通过调制循环 入口条件生成区域的速度场获取到所需要的真实湍流入口，以此可以得到具有指定入口速 度场平均值和脉动值的真实湍流结构，上述方法不仅求解更加精确，而且可以大量简化计 算量，提高计算效率。
[0024] 如图1所示，对于展向同性湍流边界层而言，在确定入口条件生成区域时，该入口 条件的展向和壁面垂直方向的尺寸与主计算区域一致，且该入口条件生成区域的流向方向 尺寸使得入口条件生成区域在流向方向上的入口端和出口端的速度相关性为零。在本实 施例中，以主计算区域入口处边界层厚度为S为例，主计算区域的壁面垂直方向的尺寸为 6 S，主计算区域的展向方向的尺寸为（ji/2) S，主计算区域的流向方向尺寸为24 S，入口 条件生成区域的壁面垂直方向和展向方向的尺寸均与主计算区域入口处一致，入口条件生 成区域的流向方向尺寸为10 S。
[0025] 在确定入口条件生成区域的流向方向的尺寸之后，可以通过循环技术来根据入口 条件生成区域出口处的湍流速度场提供入口条件生成区域的入口条件，在本实施例中，以 入口条件生成区域出口处的湍流速度作为入口条件生成区域入口处的速度场。在确定入口 条件生成区域的入口条件时，应对入口条件生成区域在流动同性方向上采用均匀网格，该 流动同性方向包括流向方向和展向方向，通过此种方式可以保证在对入口条件生成区域速 度场的调制过程中对流场作用的均匀性，还可以保证空间过滤影响的均匀性。
[0026] 在确定入口条件生成区域的入口条件后，初始化入口条件生成区域和主计算区域 的速度场，对于展向同性流动，在平均速度乂y)上叠加强度为u' togrt(y)的白噪声， 在平均速度n#乂y)上叠加强度为v' tmget(y)的白噪声，在平均速度乂y)上叠加强度 为t_t(y)的白噪声，其中仏￥,(少)为已知的主计算区域入口处流向方向（x方向）上 的平均速度场，乂y)为已知的主计算区域入口处壁面垂直方向（y方向）上的平均速度 场，⑴为已知的主计算区域入口处展向方向（z方向）上的平均速度场，u' toget(y) 为已知的主计算区域入口处流向方向（x方向）上的平均速度脉动值，v' tmget(y)为已知 的主计算区域入口处壁面垂直方向（y方向）上的平均速度脉动值，w' toget(y)为已知的 主计算区域入口处展向方向（z方向）上的平均速度脉动值。此处加入白噪声，目的是为了 在不影响湍流入口生成精度的情况下，使入口条件生成区域和主计算区域内更容易生成湍 流，提高湍流入口的生成效率。然后同时在入口条件生成区域和主计算区域进行计算，并对 入口条件生成区域的速度场进行循环调制。
[0027] 在完成上述循环调制前的准备工作后，在入口条件生成区域和主计算区域上同时 进行N-S方程的数值求解，将求得的入口条件生成区域出口处的速度场循环作为入口条件 生成区域的入口条件，同时每k(k为大于1的自然数）个时间步，调制一次入口条件生成区 域的速度场，调制过程如下：
[0028] 1、通过主流方向和展向方向上的空间平均及权数以指数形式衰减的时间平均，来 计算平均速度：

【权利要求】
1. 一种不可压流大涡模拟的湍流入口条件生成方法，其特征在于，包括： 在主计算区域入口上游创建入口条件生成区域，入口条件生成区域的出口处的湍流速 度场为主计算区域的入口条件； 根据入口条件生成区域出口处的湍流速度场通过循环技术来确定入口条件生成区域 的入口条件； 对入口条件生成区域的速度场进行循环调制，使入口条件生成区域出口处的湍流速度 场满足给定的主计算区域入口速度平均值和脉动值。
2. 根据权利要求1所述的湍流入口条件生成方法，其特征在于，所述入口条件生成区 域的展向和壁面垂直方向的尺寸与主计算区域一致，且该入口条件生成区域的流向方向尺 寸使得入口条件生成区域在流向方向上的入口端和出口端的速度相关性为零。
3. 根据权利要求1所述的湍流入口条件生成方法，其特征在于，所述确定入口条件生 成区域的入口条件的步骤包括：对入口条件生成区域在流动同性方向上采用均匀网格，以 保证调制过程中对流场作用的均匀性和空间过滤影响的均匀性。
4. 根据权利要求1所述的湍流入口条件生成方法，其特征在于，在所述对入口条件生 成区域的速度场进行循环调制的步骤之前还包括： 初始化入口条件生成区域和主计算区域的速度场； 在平均速度上叠加强度为u'toget (y)的白噪声，在平均速度上叠加 强度为ν'togrt(y)的白噪声，在平均速度妒_办)-上叠加强度为w'togrt(y)的白噪声。
5. 根据权利要求1所述的湍流入口条件生成方法，其特征在于，所述对入口条件生成 区域的速度场进行循环调制的步骤包括： 在入口条件生成区域和主计算区域上同时进行数值计算，每k个时间步调制一次入口 条件生成区域的速度场。
6. 根据权利要求5所述的湍流入口条件生成方法，其特征在于，调制速度场的步骤包 括： 通过流向方向和展向方向的空间平均及权数以指数形式衰减的时间平均来计算平均 速度； 通过流向方向和展向方向的空间平均及权数以指数形式衰减的时间平均来计算速度 场脉动值。
7. 根据权利要求6所述的湍流入口条件生成方法，其特征在于，所述计算速度场脉动 值的步骤之后还包括： 对瞬时速度场进行循环调制，使速度场满足给定的速度场平均值和脉动值。
【文档编号】G06F17/50GK104239640SQ201410480314
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】肖锋, 王振国, 孙明波, 李清廉, 梁剑寒, 赵玉新 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学