一种湍流入口数据生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及流体力学技术领域，本发明公开了一种湍流入口数据生成方法。
【背景技术】
[0002] 边界层是所有流动现象中最为简单的一种，即使是这样简单的模型，当它向下游 发展时，会历经层流阶段，然后是层流向湍流过渡的转捩阶段，最后是充分发展的湍流阶 段。这过程中所经历的复杂的流动现象，人们迄今都还不能完全理解。同时湍流边界层涉 及到工业领域许多方面，如湍流减阻、湍流噪声、湍流振动等等，而这所有的一切都需要从 最简单的边界层流动研究起，逐步趋向实际应用，所以边界层成为湍流研究的基础。
[0003] 对于空间发展的湍流边界层而言，它对上游条件十分敏感，所以在采用数值模拟 方法（大涡模拟LES或是直接数值模拟DNS)对湍流边界层进行模拟时，其入口边界条件十 分重要，直接关系到数值计算成功与否，如图1所示的LES或是DNS模拟的边界条件示意 图，湍流入口条件直接关系到LES或是DNS模拟的成功与否。因为湍流入口处的流动信息 (尤其是脉动信息）是未知的且随时间变化的，在模拟时通常需要人为给出，人为给出的脉 动信息是否符合湍流特征，由此得到的下游充分发展湍流是否是接近真实湍流？这成为研 究人员十分关注的问题。
[0004] 对于湍流入口条件的研究而言，最基本的做法是将瞬时流动参数P分解为平均 参数歹和脉动参数 < 两项，平均参数是通过时间或是空间积分平均来获得，而脉动参数则 是瞬时参数和平均参数的差量，即：歹这里P代表速度、温度中的任意一种流动参 数。
[0005] 近十年来国内外很多学者针对这方面开展了这方面的研究工作，大致包括：1.通 过实验数据或是DNS计算数据构造湍流入口数据。这类方法需要事先给定实验数据或是 DNS计算数据，这样就限制了该方法的使用；2.采用层流剖面作为入口处的平均参数，并将 脉动参数取为随机量，两者叠加后合成湍流入口数据。这类方法需要模拟从层流到湍流的 整个过程，在下游需要很长距离才能获得湍流数据，带来了很大的计算量，严重的影响了方 法的效率。3.通过流向拟周期性边界条件，构造辅助计算来获得湍流入口数据。这类方法 是基于湍流边界层的相似律，将下游的流动信息进行数据处理后引入上游作为上游的入口 条件，从而成为一种近似周期条件。这类方法长时间积分后会造成平均剖面的漂移，导致入 口处的边界层厚度无法满足给定条件。
【发明内容】
[0006] 针对上述的问题，本发明提出了一种湍流入口数据生成方法。
[0007] 本发明的目的通过下述技术方案来实现：
[0008] -种湍流入口数据生成方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、获取入口截面处的 平均参数；步骤二、从下游回收截面中提取出脉动信息，先将该脉动信息进行空间中的本征 特征分解处理后，再根据相似律进行比例变换，然后将结果作为入口的脉动参数；步骤三、 将平均参数和脉动参数相加合成湍流入口瞬时参数。
[0009] 更进一步地，上述方法还包括构造了一个辅助计算来生成湍流入口数据。
[0010] 更进一步地，上述步骤一中的入口截面处的平均参数死^通过求解 Navier-Stokes方程的雷诺平均方程获得。
[0011] 更进一步地，上述步骤二还包括边界层重构的权函数设计。
[0012] 更进一步地，上述边界层重构的权函数设计具体包括以下的步骤：
[0013] 步骤S21.从回收截面处提取出流动瞬时参数Ag，对其进行平均得到平均参数 t，并将平均参数在边界层内分解为内层参数Cy和外层参数< ;
[0014] 步骤S22.根据步骤S21得到的内层参数和外层参数以及边界层内的相似 律，计算出入口截面处的内层参数 <；和外层参数cr;
[0015] 步骤S23.重构平均参数
【主权项】
1. 一种湍流入口数据生成方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、获取入口截面处的 平均参数；步骤二、从下游回收截面中提取出脉动信息，先将该脉动信息进行空间中的本征 特征分解处理后，再根据相似律进行比例变换，然后将结果作为入口的脉动参数；步骤三、 将平均参数和脉动参数相加合成湍流入口瞬时参数。
2. 如权利要求1所述的湍流入口数据生成方法，其特征在于所述方法还包括构造了一 个辅助计算来生成湍流入口数据。
3. 如权利要求1或者2所述的湍流入口数据生成方法，其特征在于所述步骤一中的入 口截面处的平均参数氣1通过求解Navier-Stokes方程的雷诺平均方程获得。
4. 如权利要求3所述的湍流入口数据生成方法，其特征在于所述步骤二还包括边界层 重构的权函数设计。
5. 如权利要求4所述的湍流入口数据生成方法，其特征在于所述边界层重构的权函数 设计具体包括以下的步骤： 步骤S21.从回收截面处提取出流动瞬时参数私y，对其进行平均得到平均参数再^， 并将平均参数在边界层内分解为内层参数式；和外层参数< ; 步骤S22.根据步骤S21得到的内层参数< 和外层参数以及边界层内的相似律， 计算出入口截面处的内层参数始和外层参数藏；
步骤S23.重构平均参数 ％其中衫J权函 数； 步骤S24.优化权函数K使得重构的参数和给定的参数興^趋于一致，即通过优 化权函数K使得-與_ (JT) ||最小。
6. 如权利要求5所述的湍流入口数据生成方法，其特征在于所述步骤二中入口的脉 动参数仏的计算方法具体为：先从回收截面处提取流动脉动参数<，然后对该脉动信息 进行POD分解处理，忽略小能量的高阶模态，得到新的脉动参数與t;然后将该脉动参数 分解成内层参数和外层参数，并用相似律计算出入口处的内层脉动参 数和外层脉动参数,再将用优化得到的权函数株重构脉动参数^,将 得到的新的脉动信息作为辅助计算入口处的脉动参数
【专利摘要】本发明公开了一种湍流入口数据生成方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、获取入口截面处的平均参数；步骤二、从下游回收截面中提取出脉动信息，先将该脉动信息进行空间中的本征特征分解处理后，再根据相似律进行比例变换，然后将结果作为入口的脉动参数；步骤三、将平均参数和脉动参数相加合成湍流入口瞬时参数。这样得到的湍流边界条件充分的接近真实湍流的数据，能有效的保障主模拟的真实性和有效性。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104699951
【申请号】CN201510042249
【发明人】张兆, 黄思源, 王元靖, 陶洋, 赵忠良
【申请人】中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年1月27日