绕流粗糙表面二维边界层流场的数值模拟分析

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1、硕士学位论文绕流粗糙表面二维边界层流场的数值模拟分析TheNumericalSimulationoftheTwo·-dimensionalBoundaryLayeroverRoughSurfaces学号：21004170完成日期：2013—5—5大连理工大学DalianUniversityofTechnology大连理工大学学位论文独创性声明㈣删7996作者郑重声明o．所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工

2、作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：缝盔酱逝兰丝型整幽邀巍妇作者签名：垒筐复日期：翌＆年—L月—L日大连理工大学硕士学位论文摘要叶轮等关键零部件已广泛应用于航空航天、能源动力等行业部门。在实际应用中发现，在大雷诺数情况下，绕流叶片粗糙表面流动的空气动力性能会发生一定的改变，而国内外在此方面的相关研究工作尚少，因此研究粗糙表面对整体流动的气动性能影响存在重要意义。基于此，本文以均匀排列的具有圆形截面的粗糙度单元组成的粗糙表面为研究对象，分析粗糙表面对气体流动的影响。首先，针对绕流粗糙表面的流动问题采

3、用了边界层与无粘势流匹配的数值模拟方法展开分析，并应用了成熟的二维湍流边界层流动偏微分控制方程表述该流动。其次，应用改进的Illingsworth变换将控制方程从物理平面转换到计算平面，并采用隐式的有限差分法对转换后的偏微分方程组进行离散。通过Illingsworth坐标变换，控制方程被转换为易求解的形式。同时，在计算平面内各向尺度被放大，与物理平面相比，沿流向，湍流边界层厚度增长趋势变得缓和，从而有助于提高计算精度。在数值计算中，速度、温度等主要变量对横坐标的一阶偏导采用了两点向后差分格式，其对纵坐标的一阶及二阶偏导都采用了三点拉格朗日插值型求导公式，由此获得了非线性化的代数方

4、程组，在此基础上给出了稳定的数值求解算法。再次，采用代数法生成了矩形网格，并编制了绕流粗糙表面的二维湍流边界层流场的计算程序。结合二维湍流边界层流动的特点，网格节点间距靠近壁面处取较小值，离壁面远处逐渐加大，既提高了计算精度，又提高了计算效率。最后，利用计算程序对绕流粗糙表面的二维边界层流场进行了数值模拟分析。计算结果表明粗糙表面对绕流其本身的气体流动有较为显著的影响，而且粗糙度单元的高度、直径、间距等特征参数的变化也会引起气动特性的变化。关键词：粗糙表面；湍流边界层；有限差分；拉格朗日插值；特征参数TheNumericalSimulationoftheTwo—dimension

5、alBoundaryLayeroverRoughSurfacesAbstractSomekeypartssuchasimpellersarewidelyusedinthefieldsofaerospace，energypower，etc．Inpracticalapplications，itisfoundthatthesurfacetopographiesofthesepartshaveacertaininfluenceontheaerodynamicperformanceoftheflowundertheconditionofthelargeReynoldsnumber．Howe

6、ver，theresearchesonthisfieldareverylimited．Itisverynecessarytostudytheinfluenceofroughsurfaceontheaerodynamicperformanceofparts．Inthiscase，thispaperinvestigatestheinfluenceofarrayroughnesselementswithcircularcrosssectionsonthegasflow．First,thenumericalsimulationmethodthatboundarylayercombined

7、withinviscidpotentialflowisutilizedtostudytheflowovertheroughsurface，andadevelopedtwo—dimensionalboundarylayerpartialdifferentialgoverningequationsareusedtodescribetheflowovertheroughsurface．Secondly，thegoverningequationsaretransformedfromthe