CN110598362B - 充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成方法，1、向流体计算区域速度边界平面外拉伸网格，得到用于生成速度入口条件的新的流体计算区域；2、改变新计算域周向的几何平整度，促进湍流脉动的生成；3、完成新流体计算区域的空间离散化，网格要求拉伸区域端面上的网格与原始速度入口平面上的网格完全相同；4、将拉伸区域的端面设置为新速度入口，原始的速度入口平面设置为流体内部面，用于监测区域内的流型状况；5、在流体内部面处提取监测的速度分布，按固定频率将监测速度反馈至速度端面，实时更新速度边界值；本发明不引入额外的计算模型，实现过程简单易行，难度较低。

Description

充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成方法

技术领域

本发明属于计算流体力学技术领域，具体涉及到一种充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成方法。

背景技术

随着计算机技术及大规模并行计算技术的迅猛发展，计算流体力学已经成为一种常用的流体力学研究方法，在科学研究和工程应用领域具有非常广泛的应用。然而，流体流动现象非常复杂，求解流体流动的控制方程难度较高。为了合理降低计算复杂度和计算量，工程上常使用雷诺时均计算模型完成计算。然而，在科学研究方面，雷诺时均计算模型反映的流场细节不足以满足相关的研究内容，因此为了平衡模型精细程度与求解计算量的矛盾，常使用大涡模拟模型完成相关的流动及传热研究。

大涡模拟是一种研究湍流流动的计算模型。从流体力学角度讲，湍流流动是不同尺度流体涡旋级联叠加得到的结果，这种现象可以利用数学上的广义傅里叶展开进行定性解析。其中展开项中的高阶成分占比大，脉动频率高，在流体流动仿真计算中有较大的计算量占比、对计算过程的稳定性影响显著。因此，为了合理降低流体仿真计算量，提高计算过程的稳定性，常采用数学方法将广义傅里叶展开中的高阶部分滤除，并用低阶部分与高阶部分的关系建立高阶部分的模型，从而完成对流体流动的模拟，其中高阶部分称为亚格子部分，低阶部分称为大涡部分，这种仿真计算方法称为大涡模拟方法。

目前，大涡模拟已广泛应用于飞行器设计、流体机械优化、天气预测、船舶设计等众多研究领域。然而，对大涡模拟的边界条件设置，尤其是在实现复杂几何内充分发展湍流条件下的速度边界生成方面有较大难度。因此发明一种充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成方法，并应用于工程及科研领域具有较大意义，能够充分提高仿真建模计算的工作效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成方法，该方法解决了在复杂几何内进行大涡模拟计算时，无法高效实现充分发展湍流条件下的速度边界条件设置的问题。采用本发明方法能够在不引入较大计算量的条件下，完成充分发展湍流条件下的速度边界条件设置，使得计算区域内的流动状态迅速达到所需的稳定状态，提高仿真建模计算的工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成方法，包括如下步骤：

步骤1：几何预处理过程：根据实际的流体计算区域的几何情况，选择某一平面作为流体的流入面，该面定义为速度边界平面，运用UG 10.0三维建模软件以速度边界平面为基准面沿该平面的外法线方向进行拉伸建模，得到用于生成速度入口条件的新的流体计算区域；得到的新的流体计算区域包含拉伸所得到的新流域体积、与基准面平行的端面及由基准面边界拉伸得到的周向表面；

步骤2：新的流体计算区域几何变形过程：流体流经表面较为粗糙或变形率较大的流道时，容易产生涡结构，从而由层流流动状态转换为充分发展的湍流流动状态；因此，为了快速产生湍流流动状态，需要在新的流体计算区域建立相对复杂的粗糙表面；本生成方法采用几何变形过程实现流道表面粗糙化的过程；

步骤3：新的流体计算区域网格划分过程：网格划分采用商用网格划分软件实现，对网格本身的类型并无要求，只需满足大涡模拟模型的计算要求即可；但需要保证拉伸生成的新的流体计算区域的端面上的网格与原始的速度入口平面上的网格完全相同；

步骤4：新的流体计算区域的边界平面类型设置过程：与原始的流体计算区域相同，需要的新的流体计算区域内设置边界条件；其中与基准面平行的端面设置为新的速度入口面；基准面边界拉伸得到的周向表面设置为墙边界面，在墙边界面处流体流动遵循无滑移边界条件，即流体速度为0；原始流体计算区域的速度边界平面设置为内部平面，即允许流体流过的平面，对流场没有影响，仅起到收集流场数据作用；

步骤5：流体计算区域的速度边界值设置过程：本步骤设置新的流体计算区域的边界值，采用类周期性边界条件的方法，即在步骤4中设置的内部平面内的网格点处提取流场速度值，并传递至新的速度入口面作为速度边界条件；由此循环往复则实现在新的流体计算区域端面处的速度边界值迭代计算，由初始设置的均匀速度边界值通过若干时间步发展至充分发展湍流条件，用以支持大涡模拟计算需要的速度边界条件。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明生成方法通过建立外加流场域的方法实现充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成，不引入额外的计算模型，实现过程简单易行，难度较低；

2、本发明生成方法借助类周期性边界条件的方法在相对较短的计算域中实现了流场对速度边界的反馈，能够快速实现充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成过程，相比于现有全流域计算方法能够节省较大范围的计算空间，有效降低计算量和反馈时间，提高建模计算效率。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为简单圆管流体计算区域示意图。

图3为进行几何预处理过程后的流体计算区域示意图。

图4为进行几何变形过程后的流体计算区域示意图。

图5为网格划分示意图。

图6为各面命名及位置布置示意图。

具体实施方式

以下结合图1所示流程图，以简单圆管内流动为例，对本发明作进一步的详细描述：

步骤1：几何预处理过程：本步骤以简单的圆管内流动为例进行说明。图2展示了圆管内流动的流体计算区域，并以近处的端面作为流体的流入面，定义为速度边界平面，运用UG 10.0三维建模软件以速度边界平面为基准面沿该平面的外法线方向进行拉伸建模，得到用于生成速度入口条件的新的流体计算区域，如图3所示。

步骤2：新的流体计算区域几何变形过程：流体流经表面较为粗糙或变形率较大的流道时，容易产生涡结构，从而由层流流动状态转换为充分发展的湍流流动状态。因此，为了快速产生湍流流动状态，需要在新的流体计算区域建立相对复杂的粗糙表面。本生成方法采用几何变形过程实现流道表面粗糙化的过程，如图4所示，将新的流体计算区域中进行几何变形，产生一个突缩突扩结构，用于促进流体产生湍流流态；

步骤3：新的流体计算区域网格划分过程：网格划分可以采用商用网格划分软件实现，如ANSYS ICEM软件等等，对网格本身的类型并无要求，只需满足大涡模拟模型的计算要求即可。但需要保证拉伸生成的新的流体计算区域的端面上的网格与原始的速度入口平面上的网格完全相同，生成的网格如图5所示；

步骤4：新的流体计算区域的边界平面类型设置过程：与原始的流体计算区域相同，需要的新的流体计算区域内设置边界条件。其中与基准面平行的端面设置为新的速度入口面；基准面边界拉伸得到的周向表面设置为墙边界面，在墙边界面处流体流动遵循无滑移边界条件，即流体速度为0。原始流体计算区域的速度边界平面设置为内部平面，即允许流体流过的平面，对流场没有影响，仅起到收集流场数据作用，各面位置如图6所示；

步骤5：流体计算区域的速度边界值设置过程：本步骤设置新的流体计算区域的边界值。方法采用类周期性边界条件的方法，即在图6中内部平面的网格点处提取流场速度值，并传递至新的速度入口面作为速度边界条件。由此循环往复则可实现在新的流体计算区域端面处的速度边界值迭代计算，由初始设置的均匀速度边界值通过若干时间步可发展至充分发展湍流条件，用以支持大涡模拟计算需要的速度边界条件。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：几何预处理过程：根据实际的流体计算区域的几何情况，选择某一平面作为流体的流入面，该面定义为速度边界平面，运用UG 10.0三维建模软件以速度边界平面为基准面沿该平面的外法线方向进行拉伸建模，得到用于生成速度入口条件的新的流体计算区域；得到的新的流体计算区域包含拉伸所得到的新流域体积、与基准面平行的端面及由基准面边界拉伸得到的周向表面；

步骤2：新的流体计算区域几何变形过程：流体流经表面粗糙或变形率大的流道时，容易产生涡结构，从而由层流流动状态转换为充分发展的湍流流动状态；因此，为了快速产生湍流流动状态，需要在新的流体计算区域建立相对复杂的粗糙表面；采用几何变形过程实现流道表面粗糙化的过程；

步骤3：新的流体计算区域网格划分过程：网格划分采用商用网格划分软件实现，对网格本身的类型并无要求，只需满足大涡模拟模型的计算要求即可；但需要保证拉伸生成的新的流体计算区域的端面上的网格与原始的速度入口平面上的网格完全相同；

步骤4：新的流体计算区域的边界平面类型设置过程：与原始的流体计算区域相同，需要的新的流体计算区域内设置边界条件；其中与基准面平行的端面设置为新的速度入口面；基准面边界拉伸得到的周向表面设置为墙边界面，在墙边界面处流体流动遵循无滑移边界条件，即流体速度为0；原始流体计算区域的速度边界平面设置为内部平面，即允许流体流过的平面，对流场没有影响，仅起到收集流场数据作用；

步骤5：流体计算区域的速度边界值设置过程：本步骤设置新的流体计算区域的边界值，采用类周期性边界条件的方法，即在步骤4中设置的内部平面内的网格点处提取流场速度值，并传递至新的速度入口面作为速度边界条件；由此循环往复则实现在新的流体计算区域端面处的速度边界值迭代计算，由初始设置的均匀速度边界值通过若干时间步发展至充分发展湍流条件，用以支持大涡模拟计算需要的速度边界条件。

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