CN113468679A - 一种基于s-a模型的湍流长度尺度计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于S‑A模型的湍流长度尺度计算方法,包括:步骤1、获取湍动能的理论运输方程中的生成项与耗散项;步骤2、获取S‑A模型控制方程的生成项与破坏项;步骤3、建立名义粘性系数和湍动能之间的近似关系,类比得到S‑A模型中湍动能的生成项和破坏项;步骤4、联立理论运输方程中的生成项与耗散项与S‑A模型中湍动能的生成项和破坏项得到湍流长度尺度代数表达式;步骤5、使用RANS模型对壁湍流进行模拟,得到湍流流动的时均结果,结合湍流长度尺度代数表达式完成湍流长度尺度的计算。本发明能够加快入口边界的人工合成壁湍流向真实壁湍流的发展过程,最终达到提高整个DNS或LES计算精度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及计算流体力学领域,特别涉及一种基于S-A模型的湍流长度尺度计算方法。
背景技术
准确模拟壁湍流对航空航天工程相关的设计研发中具有重要意义。随着计算能力的逐步提高,解析湍流的全部或大部分旋涡尺度运动的直接数值模拟(Direct NumericalSimulation,DNS)和大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法获得了广泛的应用。在对高雷诺数壁湍流开展DNS或LES时,需要在入口边界上添加合理的人工合成湍流脉动(Artificial Synthetic Turbulence,AST)来对真实的来流进行近似,否则就需要大量的额外的网格来解析整个层流到湍流的转捩过程。此时常用的人工合成湍流方法需要从附体边界层的雷诺平均模拟(Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulation,RANS)结果来提取湍动能和湍流长度尺度两个关键特征量,用于尽可能地复现真实来流的统计特征。其中至少需要从RANS模拟结果中得到湍动能和湍流长度尺度的近似分布。对于湍动能,不同的RANS模型均能较好的模拟,但是对湍流长度尺度的模拟不同RANS模型得到的结果差别较大。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,提供了一种基于S-A模型的湍流长度尺度计算方法、计算机程序及存储介质,采用一种新的湍流长度尺度计算方法,将其应用于当前工程中广泛采用的AST方法中,以加快入口边界的人工合成壁湍流向真实壁湍流的发展过程,最终达到提高整个DNS或LES计算精度的目的。
本发明采用的技术方案如下:一种基于S-A模型的湍流长度尺度计算方法,包括以下步骤:
步骤1、通过Navier-Stokes方程获取湍动能的理论运输方程中的生成项与耗散项;
步骤2、获取S-A模型控制方程的生成项与破坏项;
步骤3、建立名义粘性系数和湍动能之间的近似关系,通过类比的方式得到S-A模型中湍动能的生成项和破坏项;
步骤4、联立理论运输方程中的生成项与耗散项与S-A模型中湍动能的生成项和破坏项得到湍流长度尺度代数表达式;
步骤5、使用RANS模型对壁湍流进行模拟,得到湍流流动的时均结果,结合时均结果与湍流长度尺度代数表达式完成湍流长度尺度的计算。
进一步的,所述步骤2中生成项与破坏项为:
进一步的,步骤3中近似关系为:
进一步的,所述步骤3中湍动能的生成项与破坏项为:
进一步的,所述步骤4的具体过程为:将湍动能的生成项与破坏项之和与理论运输方程中的生成项与耗散项之和近似相等处理,得到:
根据典型的湍流边界层参数分布,得到:
则得到:
从而得到耗散率的表达式:
根据耗散率的表达式,定义一般化的湍流长度尺度代数表达式:
对一般化的湍流长度尺度代数表达式进行优化处理,得到最终的长度尺度表达式:
本发明还提供了一种电子设备,包括:存储器,用于存储可执行指令;以及处理器,用于与所述存储器通信以执行所述可执行指令从而完成上述的基于S-A模型的湍流长度尺度计算方法对应的过程。
本发明还提供了一种计算机存储介质,用于存储计算机可读取的指令,所述指令被执行时执行上述的基于S-A模型的湍流长度尺度计算方法。
与现有技术相比,采用上述技术方案的有益效果为:本发明提出的湍流长度尺度计算方法充分利用了Spallart-Allmaras模型对边界层分布以及输运机理的模化,能够反映更真实的壁湍流统计特性,同时可适用于任意基于涡粘性假设的RANS模型,提高计算精度。
附图说明
图1为本发明提出的计算湍流长度尺度的流程图。
图2为本发明一实施例中新的湍流长度尺度在靠近壁面区域与原长度尺度的比较示意图。
图3为湍流平板边界层流动中的多尺度旋涡结构示意图。
图4为湍流平板边界层的摩阻系数数值验证示意图。
图5为槽道湍流的摩阻系数数值验证示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
如图1所示,本发明提出了一种基于S-A模型的湍流长度尺度计算方法,包括以下步骤:
步骤1、通过Navier-Stokes方程获取湍动能的理论运输方程中的生成项与耗散项;
步骤2、获取S-A模型控制方程的生成项与破坏项;
步骤3、建立名义粘性系数和湍动能之间的近似关系,通过类比的方式得到S-A模型中湍动能的生成项和破坏项;
步骤4、联立理论运输方程中的生成项与耗散项与S-A模型中湍动能的生成项和破坏项得到湍流长度尺度代数表达式;
步骤5、使用RANS模型对壁湍流进行模拟,得到湍流流动的时均结果,结合时均结果与湍流长度尺度代数表达式完成湍流长度尺度的计算。
具体的,从Navier-Stokes方程组中的动量方程出发,通过雷诺平均可得到湍动能的理论输运方程,为:
其中,为空间坐标,从1到3分别为笛卡尔坐标系下三个方向的坐标,为流体的密度,为湍动能,定义为(第二个等号来自爱因斯坦求和约定),为湍流平均耗散率,为流场的应力张量,表示对变量A进行时间平均;为脉动速度在方向上的分量;表示随体导数。(1)式由雷诺应力的输运方程给出,同时也是涡粘性模型建立的基础,右端表示湍动能生成和耗散的项分别为和。
步骤2中,S-A模型控制方程为:
在(2)式中,模型的源项表示湍动能的生成和破坏,则S-A模型控制方程的生成项与破坏项分别为:
根据(4)(5)(6)三式,可以通过类比定义S-A模型方程中表示湍动能的生成项和破坏项,分别为:
由(7)式和(8)式之和表示的湍动能生成和破坏应该和方程(1)式中的相关项近似相等,表示为:
根据电信的湍流边界层参数分布,以下两式近似成立:
则(6)式化为:
得到耗散率的表达式为:
则新的长度尺度公式表示为:
(14)式即为基于S-A模型导出的新湍流长度尺度近似公式。
在本实施例中还给出了采用所提供的湍流长度尺度计算方法所生成的入口湍流边界条件在边界层中演化出的多尺度旋涡结构,如图3所示。
比较了使用原始的长度尺度和改进的长度尺度所生成的入口湍流边界条件在平板边界层计算中得到的摩阻演化曲线,如图4所示,其中散点为理论公式结果(参考值),实线为改进的长度尺度得到的结果,点划线为原始的长度尺度得到的结果。
比较了使用原始的长度尺度和改进的长度尺度所生成的入口湍流边界条件在充分发展槽道流动计算中得到的摩阻演化曲线,如图5所示,其中散点为RANS计算结果(参考值),实线为改进的长度尺度得到的结果,点划线为原始的长度尺度得到的结果。
实施例2
在实施例1的基础上,本实施例还提供了一种电子设备,包括:存储器,用于存储可执行指令;以及处理器,用于与所述存储器通信以执行所述可执行指令从而完成实施例1中基于S-A模型的湍流长度尺度计算方法对应的过程。
实施例3
在实施例1的基础上,本实施例还提供了一种计算机存储介质,用于存储计算机可读取的指令,所述指令被执行时执行实施例1中的基于S-A模型的湍流长度尺度计算方法。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员,在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进,都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
Claims (5)
1.一种基于S-A模型的湍流长度尺度计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、通过Navier-Stokes方程获取湍动能的理论运输方程中的生成项与耗散项;
步骤2、获取S-A模型控制方程的生成项与破坏项;
步骤3、建立名义粘性系数和湍动能之间的近似关系,通过类比的方式得到S-A模型中湍动能的生成项和破坏项;
步骤4、联立理论运输方程中的生成项与耗散项与S-A模型中湍动能的生成项和破坏项得到湍流长度尺度代数表达式;
步骤5、使用RANS模型对壁湍流进行模拟,得到湍流流动的时均结果,结合时均结果与湍流长度尺度代数表达式完成湍流长度尺度的计算。
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