基于当地流动结构的RANS∕LES混合模型

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252014V01．35No．112992—2999ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．CRhkxb@buaa．edu．cn基于当地流动结构的RANS／LES混合模型徐晶磊1，高歌1，杨焱2’*1．北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家科技重点实验室，北京1001912．中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室，北京100190摘要：针对传统雷诺平均NavierStokes／大涡模拟(RANS／LES)混合模型固有的RA

2、NS和LES区域衔接难题，借鉴Vreman提出的亚格子(SGS)模型，提取其中描述流动状态的判断函数，利用不可压缩槽道湍流标定模型系数，构造了一个新的RANS／LES混合模型。评估算例包括不可压缩槽道湍流、稳态超声速平板边界层、NACA4412翼型绕流和亚临界雷诺数圆柱绕流。该模型作为壁面模化LES，解决了传统RANS／LEs方法中速度型偏离对数律(LLM)的缺陷，且拓宽了原Vreman模型在粗糙网格上的适用性，具有较高精度。该模型同时解决了模化应力折损问题，且对大尺度分离流动的模拟精度相较传统的RANS／I。ES混合模型如脱体涡模拟(DES)有进一步提升。关键词：湍流模型；混合R

3、ANS／LES；大尺度分离；大涡模拟；脱体涡模拟中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)11-2992—08大尺度分离湍流的精确预测一直是雷诺平均Navier—Stokes(RANS)难以应付的难题，为了解决这个问题，1997年Spalart等口1在Spalart—All—maras(SA)模型的基础上发展出了脱体涡模拟(DetachedEddySimuation，DES)。DES在网格长细比很大的边界层内采用壁面距离作为长度尺度，在网格趋向于各向同性的大尺度分离区域用网格尺度作为长度尺度，其本意是用RANS模型模化整个湍流边界层，而用大涡模拟

4、(LargeEddySimulation，LES)模拟远离壁面的大尺度分离区域，从而改善了RANS计算大尺度分离的精度。然而上述理想状态难以实现，只因DES通过壁面距离与网格问距的关系对RANS和LES进行二选一。当平行于壁面的网格间距小于边界层厚度时(对应着网格加密或者边界层厚度增加)，LES会入侵到边界层内，DES表现出一些不恰当的行为。因此对厚边界层和小尺度分离，DES模型不适用，此时计算并未失稳，模型中激活后的LES计算的湍流应力偏低，出现了模化应力折损(ModeledStressDepletion)的缺陷。有研究者倾向于将流向和展向的网格做得很密，把DES用作LES的近壁

5、模型，这是一种可行的方法，但这并不是DES的初衷；由于网格不够密或者失稳被推迟，或者说由于RANS和LES天然就是两种不同性质的方法，文献[2]的计算未产生足够的“LES脉动”从而导致边界层内出现速度型偏离对数律(Log—LayerMismatch，LLM)缺陷。总之，DES的主要缺陷之一在于RANS和LES的交界面经常位于边界层内，而LES区域脉动未被激活，即使激活也不足以替代模化的雷诺收稿El期：2013—11—11；退修日期：2013—12—02；录用日期：2014-01-16；网络出版时间：2014-02—2113：03网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／det

6、ail／10．7527／S1000．6893．2013．0522htmI基金项目：国家自然科学基金(11002014)*通讯作者Tel．：010-82543976E-mail：yangy’@ustcedu引用格武}XuJL，GaoG．YangY．ARANs／LEShybridmodelbasedonlocalflowstructure【J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014，35(11)：2992-2999．绦晶磊．商歌，杨焱．基f当地流动结构的RANS／LES混合模型[J]．航空学授，2014，35({1)：2992_2999徐晶磊

7、等：基于当地流动结构的RANS／I．ES混合模型应力部分，会产生湍流内容不足的边界层，甚至产生非物理的分离。丁举春[33和孙明波Ⅲ等对RANS／LES混合方法做了综述，同样提到了上述问题。Spalart提出的DES是RANS／LES混合方法的先驱，近年来，RANs／LES混合方法逐渐成为湍流模拟的重要方法，其内涵不限于DES(只求解脱体涡)。随着混合方法研究的大量兴起，其性能也日趋完善。例如，Spalart等[53对DES进行一系列公式的修正后得出了延迟脱体涡模拟(D