CN113836838A - 一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，该方法具体为：建立三维计算流域并划分网格；进行三维计算流域的边界条件以及计算参数的设置；给定一个用于更快触发湍流的初始场；控制平均速度，生成壁湍流；时刻监测动能以及耗散率，判断系统是否达到平衡；系统平衡后，在湍流达到平衡之后取平衡后的压力梯度，得到当前参数条件下维持湍流的压力梯度；通过修改OpenFOAM相应的求解器中的动量方程，采用修改后的求解器，设定不小于得到的平衡压力梯度即可使得壁湍流能够维持且最终达到平衡。本发明通过恒压梯度控制壁湍流，对给定流体特性参数和雷诺数所需的恒定压力梯度进行探索，节省资源与时间，为进一步的湍流问题的研究奠定基础。

Description

一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法

技术领域

本发明属于计算流体力学、流变力学的技术领域，具体涉及一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法。

背景技术

湍流问题一直是世界性难题。当前研究湍流的一种有效方法是壁湍流，该方法可以采用物理边界条件，可看到拟序结构的生成及演化，所以是研究湍流问题的一种可行途径。基于c++的开源CFD软件OpenFOAM作为一款开源软件给予用户极大自由度，所以是研究湍流问题的重要平台。由于确定流体的特性参数之后，很难根据经验判断该种参数条件下的能量损耗率是多少，所以，开发了一种快速的在确定流体物理特性参数后的恒压梯度确定方式在科学问题研究上是很有必要的。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，包括下述步骤：

建立三维计算流域并划分网格；

进行三维计算流域的边界条件以及计算参数的设置；

给定一个用于更快触发湍流的初始场；

控制平均速度，生成壁湍流；

时刻监测动能以及耗散率，判断系统是否达到平衡；

系统平衡后，在湍流达到平衡之后取平衡后的压力梯度，得到当前参数条件下维持湍流的压力梯度；

通过修改OpenFOAM相应的求解器中的动量方程，增加一个额外力项，采用修改后的求解器，设定不小于得到的所述当前参数条件下维持湍流的压力梯度，即能使得壁湍流能够维持且最终达到平衡。

作为优选的技术方案，所述建立三维计算流域并划分网格通过建模软件或OpenFOAM自带网格分块程序进行，若网格不均匀排布，则采用高质量的网格划分方法；所述三维计算流域为长方体。

作为优选的技术方案，所述三维计算流域的边界有六个，其中两组相对的边界面边界设置为周期边界条件，该周期边界条件将两个不相连的边界连接起来；剩余两个相对的边界设定为可识别的壁面，速度采用无滑移边界条件。

作为优选的技术方案，所述计算参数包括流体速度、流体密度、流体动力粘度、离散格式、矩阵求解器、残差、时间步。

作为优选的技术方案，所述初始场流动的初始化采用抛物线轮廓，通过改变抛物线流动，产生慢速和快速流动的近壁面平行条纹，公式如下所列：

V⁺＝W⁺＝0；

其中，U⁺为垂直于壁面法向的流向面空间平均速度，x⁺为流向的无量纲化距离，y⁺为壁面法向的无量纲化距离，U₀ ⁺为给定的湍流面平均速度，

为条纹壁面法向的循环，b⁺为展向的波数，z⁺为壁面法向的无量纲化距离，C₁为横向衰减，V⁺为垂直于壁面法向的壁面法向面空间平均速度，W⁺为垂直于壁面法向的展向面空间平均速度；

稍微扰动所述慢速和快速流动的近壁面平行条纹，使速度场具有波浪特征，从而快速地产生流向涡旋并诱发湍流，公式如下所列：

w(x⁺,y⁺)＝c_∈sin(a⁺x⁺)y⁺exp(-c_σy⁺²)，u＝v＝0；

其中，w为近壁面垂直于壁面法向的展向速度，u为近壁面垂直于壁面法向的流向速度，v为近壁面垂直于壁面法向的壁面法向速度，c_∈为线性扰动的振幅，c_σ为横向衰减，a⁺为x方向的波数。

作为优选的技术方案，通过不断修正压力梯度使得整个流场达到给定的平均速度，具体为：

读取上一个时间步的数据；

读取初始压力梯度，其中，初始场的压力梯度为0；

遍历网络，计算平均流量；

将平均流量调整至所需值所需的压力梯度增量；

对速度场进行修正；

更新压力梯度；

进入下一个时间步。

作为优选的技术方案，所述通过修改OpenFOAM相应的求解器中的动量方程，增加一个额外力项force，修改后的不可压缩流体控制方程，如下所列：

其中，U为流体速度，ρ为流体密度，p为压力，τ为额外应力，η_s为溶剂的动力粘度，λ为松弛时间，h(τ)为取决于τ的张量函数，η_p为聚合物的动力粘度，

为剪切率，f(τ)为取决于τ的一般标量函数，force为新增在动量方程的一个用于对恒定压力梯度进行指定的额外力项；在粘弹流的数值模拟中，额外应力τ分为溶剂贡献部分τ_s和聚合物贡献部分τ_p，即τ＝τ_s+τ_p。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明提供了一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，通过恒压梯度控制壁湍流，快速对给定流体特性参数和雷诺数所需的恒定压力梯度进行探索，克服了现有方法中无法确定特定参数下的湍流能量的耗散、储能与能量供给平衡条件的缺陷，达到了节省大量资源与时间的技术效果，为“湍流减阻”以及“弹性湍流”问题的研究奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法的流程图；

图2是本发明实施例采用的三维计算流域模型示意图；

图3是本发明实施例采用的初始场示意图；

图4是本发明实施例控制平均速度方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，包括以下步骤：

步骤一：建立三维计算流域并划分网格；

进一步的，所述建立三维计算流域并划分网格通过建模软件或OpenFOAM自带网格分块程序进行，若网格不均匀排布，则采用高质量的网格划分方法；所述三维计算流域为长方体，如图2所示。

步骤二：进行三维计算流域的边界条件以及计算参数的设置；

进一步的，所述三维计算流域的边界有六个，其中两组相对的边界面边界设置为周期边界条件，该周期边界条件将两个不相连的边界连接起来。

步骤三：给定一个用于更快触发湍流的初始场；该初始场如图3所示；

进一步的，所述初始场流动的初始化采用抛物线轮廓，通过改变抛物线流动，产生慢速和快速流动的近壁面平行条纹，公式如下所列：

V⁺＝W⁺＝0；

其中，U⁺为垂直于壁面法向的流向面空间平均速度，x⁺为流向的无量纲化距离，y⁺为壁面法向的无量纲化距离，U₀ ⁺为给定的湍流面平均速度，

为条纹壁面法向的循环，b⁺为展向的波数，z⁺为壁面法向的无量纲化距离，C₁为横向衰减，V⁺为垂直于壁面法向的壁面法向面空间平均速度，W⁺为垂直于壁面法向的展向面空间平均速度；

稍微扰动所述慢速和快速流动的近壁面平行条纹，使速度场具有波浪特征，从而快速地产生流向涡旋并诱发湍流，公式如下所列：

w(x⁺,y⁺)＝c_∈sin(a⁺x⁺)y⁺exp(-c_σy⁺²)，u＝v＝0；

其中，w为近壁面垂直于壁面法向的展向速度，u为近壁面垂直于壁面法向的流向速度，v为近壁面垂直于壁面法向的壁面法向速度，c_∈为线性扰动的振幅，c_σ为横向衰减，a⁺为x方向的波数。

步骤四：控制平均速度，生成壁湍流；

进一步的，所述控制平均速度，通过不断修正压力梯度使得整个流场达到给定的平均速度，如图4所示，具体为：

读取上一个时间步的数据；

读取初始压力梯度，其中，初始场的压力梯度为0；

遍历网络，计算平均流量；

将平均流量调整至所需值所需的压力梯度增量；

对速度场进行修正；

更新压力梯度；

进入下一个时间步。

步骤五：时刻监测动能以及耗散率，判断系统是否达到平衡；

步骤六：系统平衡后，在湍流达到平衡之后取平衡后的压力梯度，得到当前参数条件下维持湍流的压力梯度；

步骤七：通过修改OpenFOAM相应的求解器中的动量方程，增加一个额外力项，采用修改后的求解器，设定不小于步骤六得到的压力梯度即可使得壁湍流能够维持且最终达到平衡。

进一步的，所述通过修改OpenFOAM相应的求解器中的动量方程，增加一个额外力项force，修改后的不可压缩流体控制方程，如下所列：

其中，U为流体速度，ρ为流体密度，p为压力，τ为额外应力，η_s为溶剂的动力粘度，λ为松弛时间，h(τ)为取决于τ的张量函数，η_p为聚合物的动力粘度，

为剪切率，f(τ)为取决于τ的一般标量函数，force为新增在动量方程的一个用于对恒定压力梯度进行指定的额外力项；在粘弹流的数值模拟中，额外应力τ分为溶剂(牛顿流体)贡献部分τ_s和聚合物贡献部分τ_p，即τ＝τ_s+τ_p。

特别的，本实施例的一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法可适用于不可压缩流体。

通过本发明的方法，可以快速对给定流体特性参数和雷诺数所需的恒定压力梯度进行探索，节省资源与时间；

本发明实现的恒压梯度控制壁湍流为湍流问题数值模拟研究的主要方式之一，为进一步的“湍流减阻”以及“弹性湍流”问题研究奠定基础。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，其特征在于，包括下述步骤：

建立三维计算流域并划分网格；

进行三维计算流域的边界条件以及计算参数的设置；

给定一个用于更快触发湍流的初始场；

控制平均速度，生成壁湍流；

时刻监测动能以及耗散率，判断系统是否达到平衡；

系统平衡后，在湍流达到平衡之后取平衡后的压力梯度，得到当前参数条件下维持湍流的压力梯度；

通过修改OpenFOAM相应的求解器中的动量方程，增加一个额外力项，采用修改后的求解器，设定不小于得到的所述当前参数条件下维持湍流的压力梯度，即能使得壁湍流能够维持且最终达到平衡。

2.根据权利要求1所述一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，其特征在于，所述建立三维计算流域并划分网格通过建模软件或OpenFOAM自带网格分块程序进行，若网格不均匀排布，则采用高质量的网格划分方法；所述三维计算流域为长方体。

3.根据权利要求1所述一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，其特征在于，所述三维计算流域的边界有六个，其中两组相对的边界面边界设置为周期边界条件，该周期边界条件将两个不相连的边界连接起来；剩余两个相对的边界设定为可识别的壁面，速度采用无滑移边界条件。

4.根据权利要求1所述一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，其特征在于，所述计算参数包括流体速度、流体密度、流体动力粘度、离散格式、矩阵求解器、残差、时间步。

5.根据权利要求1所述一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，其特征在于，所述初始场流动的初始化采用抛物线轮廓，通过改变抛物线流动，产生慢速和快速流动的近壁面平行条纹，公式如下所列：

V⁺＝W⁺＝0；

其中，U⁺为垂直于壁面法向的流向面空间平均速度，x⁺为流向的无量纲化距离，y⁺为壁面法向的无量纲化距离，U₀ ⁺为给定的湍流面平均速度，

为条纹壁面法向的循环，b⁺为展向的波数，z⁺为壁面法向的无量纲化距离，C₁为横向衰减，V⁺为垂直于壁面法向的壁面法向面空间平均速度，W⁺为垂直于壁面法向的展向面空间平均速度；

稍微扰动所述慢速和快速流动的近壁面平行条纹，使速度场具有波浪特征，从而快速地产生流向涡旋并诱发湍流，公式如下所列：

w(x⁺，y⁺)＝c_∈sin(a⁺x⁺)y⁺exp(-c_σy⁺²)，u＝v＝0；

其中，w为近壁面垂直于壁面法向的展向速度，u为近壁面垂直于壁面法向的流向速度，v为近壁面垂直于壁面法向的壁面法向速度，c_∈为线性扰动的振幅，c_σ为横向衰减，a⁺为x方向的波数。

6.根据权利要求1所述一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，其特征在于，通过不断修正压力梯度使得整个流场达到给定的平均速度，具体为：

读取上一个时间步的数据；

读取初始压力梯度，其中，初始场的压力梯度为0；

遍历网络，计算平均流量；

将平均流量调整至所需值所需的压力梯度增量；

对速度场进行修正；

更新压力梯度；

进入下一个时间步。

7.根据权利要求1所述一种基于OpenFOAM的壁湍流维持方法，其特征在于，所述通过修改OpenFOAM相应的求解器中的动量方程，增加一个额外力项force，修改后的不可压缩流体控制方程，如下所列：

其中，U为流体速度，ρ为流体密度，p为压力，τ为额外应力，η_s为溶剂的动力粘度，λ为松弛时间，h(τ)为取决于τ的张量函数，η_p为聚合物的动力粘度，

为剪切率，f(τ)为取决于τ的一般标量函数，force为新增在动量方程的一个用于对恒定压力梯度进行指定的额外力项；在粘弹流的数值模拟中，额外应力τ分为溶剂贡献部分τ_s和聚合物贡献部分τ_p，即τ＝τ_s+τ_p。

Images