转捩流动的数值计算研究杨中

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1、热机气动热力学编号:092019中国工程热物理学会学术会议论文转抿流动的数值计算研究杨中1,2徐建中】1.中国科学院工程热物理研究所，北京1001902.中国科学院研究生院，北京100049(电话：010-82543039Emo订：yangzhong@ma订.etp.ac.cn)摘要：本文通过求解雷诺平均NS方程，采用基于k-3湍流模型和添加控制转按的层流动能输运方程计算转按流动。和对于基于实验的转按关系式模型,本模型对叶轮机械复杂的流动环境提供了更加克实的物理意义。而且模型屮没有使用基于诸如边界层甲度这样的非局部变量，使得它特别适合现代

2、CFD代码。计算使用Fluent求解器，采用UDS求解三方程湍流模型。计算了ERCOFTACT3系列实验和低压涡轮叶栅流动，一系列算例的计算表明该模型能够口动捕捉流动的转按过程，但还需耍进一步修正以能更加准确考虑各种因素对转按的影响。。关键词：转按；湍流模型；CFDo0前言边界层的层流■湍流转按对于燃气涡轮的性能有非常重要的影响。在许多流动条件下，虽然主流区为高度湍流状态，但是大部分边界层处于层流或者转按状态。边界层转按将导致壁面摩擦力和传热量急剧增加。同时，转扌戾过程还对叶片表面边界层的分离状态产生决定性的影响，比如在低压涡轮的吸力面将

3、发生的分流、转採等复杂的流动现象。在燃气涡轮流动中通常有三类转按模式：自然转按、强制转按和分离流动转按[1]。来流湍流、压力梯度、叶片表里粗糙度和曲率等诸多因素可以影响转按的发展，因此对燃气涡轮中的转按流动进行准确建模是一个富有挑战性的任务。在过去的几十年内计算流体力学(CFD)技术经历了长足的发展，目前己经到达相当成熟的阶段。对于大多数工程问题CFD能够冇效地提供足够精确的数值解。雷诺平均的Navier-Stokes方程方法(RANS)可以为不同复杂程度的完全层流和湍流提供足够精确的结果，从而成为气动设计必不可少的工具。然而RANS方法

4、对于转按流动的计算还不能提供满意的结杲。直接数值模拟和人涡模拟由于包含了更多的物理机制和能够捕捉更多的流动尺度，在转流预测方面具有优势[2][3],然而对于工程设计來说，它们的计算量过于庞大导致目前只能作为研究工具用于低雷诺数和具有相対简单几何结构的流动中。在RANS方法的框架内有两类常用的方法用于转採流动的预测。第一类是使用基于实验的关系式。这类方法的通常关联动量厚度雷诺数与当地自由流条件，比如湍流强度和压力梯度。然后根据实验关系式把动量厚度雷诺数用于预测转按的开始位置，一旦确定转按位置后启动湍流模型用于之后的湍流计算。这类方法中Abu

5、-Ghannam&Shaw[4]和Mayle[l]关系式得到了广泛的使用，它们都来自于大量的实验测量。这些模型比饺容易校核，而只对于捕捉主要的物理作用通常能够提供足够精确的结果。然而这类模型一般都需要用到边界层的积分厚度和边界层外部的流动信息，通常给RANS计算方法带来不便。因为在复杂的流动现象中特别是有分离的条件下边界层的边沿不易于定义，而且积分厚度的计算需要使用基于非局部流动变量从而需要使用查找算法。同时实验关系式和积分厚度实际上是二维的概念，对于具有复杂几何结构的三维流动这些概念就不一定适用。所以这类方法与现代基于RANS的CFD算

6、法不相容。第二类方法是应用低雷诺数的湍流模型，这些模型的计算不需要非局部的计算用来对边界层内进行积分，因此易于在现有的CFD代码中实施。自从Jones&Launder[5]提出低雷诺数湍流模型的概念以来，陆续出现了许多不同这类模型，它们大多数都是基于k・£湍流模型。然而，这些模型的转採预测能力受到了质疑，因为对阻尼两数的校核是基于粘性底层的特性，而非层流■湍流的转採机理。也冇几个模型的建立据称考虑到了转按的机理，比如Wilcox的k-3模型[6]。显然，到日前还没有一个低雷诺数的湍流模型可以准确地预测转按的开始以及其后的发展。如Savil

7、l[7]所述，如果不釆用特别的修正这些模型通常把转按的开始点预测得A早，而且不能准确模拟来流湍流和压力梯度等因素的影响。Walters&Leylek[8]提出了一个基于转採前速度波动的转採模型。这一思想來源于Mayle&Schulz[9],他们使用一个输运方程来描述转採前的层流流动屮的动能。转扌戾的开始和发展通过层流波动能来控制而不使用任何非局部的参数。层流动能通过与湍流动能和比耗散率方程结合，构成一个三方程的湍流模型。本文使用此模型来计算ERCOFTACHOJ有压力梯度和无压力梯度的平板流动的强制转採，同时还计算了T106线性涡轮叶栅内

8、的分离流动转按。1转扌戾模型D(冰7)Dt=pPKT+pR-p(okT-pDT(1)(2)本文用于计算的湍流模型为Walters&Leylekl8]提出的基于层流动能方程的涡粘模型。此模型求解