【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （2）模擬湍流粘性系數(shù)由式（）和式（），湍流粘性系數(shù)模擬為 ()其中，為常數(shù)（）。（3）模擬常數(shù)由對(duì)空氣與水在均勻切變湍流和各向同性衰減格子湍流等條件下的實(shí)驗(yàn)確定的模型常數(shù)取下列值：，，上述經(jīng)驗(yàn)常數(shù)在一定范圍內(nèi)具有適用性。經(jīng)驗(yàn)表明，和對(duì)影響計(jì)算較大。當(dāng)湍流產(chǎn)生項(xiàng)與消耗項(xiàng)偏離平衡狀態(tài)較遠(yuǎn)。標(biāo)準(zhǔn)模型亦稱為高數(shù)模型，適用于局部湍流數(shù)高于的湍流核心區(qū)，此時(shí)分子粘性相對(duì)于湍流粘性可以忽略不計(jì)。這里，湍流數(shù)定義為 ()在有壁面的流動(dòng)中，與壁面緊鄰的粘性支層中數(shù)很低，必須考慮分子粘性的影響，可采用標(biāo)準(zhǔn)模型/壁面函數(shù)法或低數(shù)模型來處理。2. RNG 模型RNG 模型由Yakhot和Orszag提出，采用稱為重整化群（ReNormalization Group, RNG）理論的嚴(yán)格統(tǒng)計(jì)方法推導(dǎo)得到。該模型是將穩(wěn)態(tài)NS方程對(duì)一個(gè)平衡態(tài)作Gauss統(tǒng)計(jì)展開，并用對(duì)脈動(dòng)頻譜的波數(shù)段作濾波的方法，從而導(dǎo)出考慮低Re數(shù)影響的高Re數(shù)模型，其湍動(dòng)能k和湍流耗散率由求解與標(biāo)準(zhǔn)模型相似的輸運(yùn)方程得到。3. Realizable 模型realizable 模型的“realizable”（可實(shí)現(xiàn)的）指的是模型滿足對(duì)Reynolds應(yīng)力符合實(shí)際湍流流動(dòng)情況的數(shù)學(xué)限制。而標(biāo)準(zhǔn)模型和RNG 模型均不是可實(shí)現(xiàn)。realizable 模型的優(yōu)點(diǎn)是其更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)平面射流和圓射流的擴(kuò)張速率。在有旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)的逆壓梯度下的邊界層流動(dòng)、分離流、回流以及有復(fù)雜二次流等情況下，該模型均有更好的性能。應(yīng)用realizable 模型的一個(gè)限制是，在計(jì)算域內(nèi)同時(shí)存在轉(zhuǎn)動(dòng)和固定的流體區(qū)時(shí)（如使用多重坐標(biāo)系或旋轉(zhuǎn)動(dòng)網(wǎng)格時(shí)），該模型將計(jì)算出不合理的粘性系數(shù)值。這是因?yàn)閞ealizable 模型在湍流粘性系數(shù)中包含平均旋轉(zhuǎn)速度的影響。而這一針對(duì)旋轉(zhuǎn)影響的修正使realizable 模型在單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中比標(biāo)準(zhǔn)模型有更好的性能。鑒于realizable 模型的諸多優(yōu)點(diǎn)，本論文的湍流模型選用該模型。4. 模型的湍流邊界條件模型需要湍動(dòng)能k和耗散率的邊界條件。壁面處的k和邊界條件是由壁面函數(shù)或近壁區(qū)模型確定。入口邊界的k和必須給定。由于入口湍流通常對(duì)下游流動(dòng)有較大影響，給定正確的入口邊界條件是非常重要的。Specification Method（湍流量指定方法）：采用湍流模型時(shí)，有四種給定入口（以及出口回流時(shí)）湍動(dòng)能和湍流耗散率邊界條件的方法：（1）K and Epsilon（湍動(dòng)能和湍流耗散率）：指定入口湍動(dòng)能和湍流耗散率?？梢詾槌?shù)，或使用分布函數(shù)、時(shí)變函數(shù)或者UDF給定；（2）Intensity and Length Scale（湍流長(zhǎng)度和湍流長(zhǎng)度標(biāo)尺）；（3）Intensity and Viscosity Ratio（湍流強(qiáng)度和湍流粘度比）；（4）Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強(qiáng)度和水力直徑）。5. 熱對(duì)流和傳質(zhì)的模擬采用Reynolds比動(dòng)量傳遞的方法模擬湍流傳熱： ()其中，為導(dǎo)熱系數(shù)；為總能；為偏應(yīng)力張量，與其有關(guān)的項(xiàng)代表粘性加熱： ()。傳質(zhì)的處理方法為傳熱相似。 近壁區(qū)處理1. 近壁區(qū)概述近壁區(qū)大致可分為三層。緊鄰壁面的最內(nèi)層為層流支層；外層為充分發(fā)展的湍流；層流支層與充分發(fā)展湍流層之間為過渡層或稱為緩沖區(qū)。在近壁區(qū)，粘性阻尼使得切向速度脈沖降低，壁面對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻礙使得法向速度脈動(dòng)降低。而在近壁區(qū)外側(cè)，由于較大的平均速度梯度導(dǎo)致湍動(dòng)能產(chǎn)生，并使得湍流迅速增強(qiáng)。在近壁區(qū)求解變量有較大的梯度，因此動(dòng)量和其它標(biāo)量的輸運(yùn)旺盛。模型、雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬適用于湍流核心區(qū)流動(dòng)（即在離開壁面一定距離區(qū)域中的流動(dòng)），因此必須考慮使這些模型適用于近壁區(qū)流動(dòng)。有兩類模擬近壁區(qū)流動(dòng)的方法：壁面函數(shù)和近壁區(qū)模擬。壁面函數(shù)法不求解近壁區(qū)內(nèi)層（粘性支層和緩沖層）中的流動(dòng)，而是采用稱為壁面函數(shù)（wall function）的半經(jīng)驗(yàn)公式將壁面與湍流充分發(fā)展區(qū)聯(lián)系起來。近壁區(qū)模擬方法修改湍流模型，使之能夠求解直到壁面的粘性影響區(qū)，包括粘性支層。壁面函數(shù)法對(duì)計(jì)算資源的要求較低。但在計(jì)算域內(nèi)各處均為低雷諾數(shù)的情況需要采用近壁區(qū)模擬方法。2. 標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)由Launder和Spalding提出，廣泛應(yīng)用于工程流動(dòng)計(jì)算。平均速度場(chǎng)壁面律為 ()其中，為無量綱速度，為距離壁面無量綱距離： () ()其中，為點(diǎn)P處流體平均速度；為點(diǎn)P處的湍動(dòng)能；為點(diǎn)P到壁面距離；為流體動(dòng)力粘性系數(shù)。平均速度對(duì)數(shù)律在范圍內(nèi)成立。當(dāng)時(shí)，采用對(duì)數(shù)律；當(dāng)緊鄰壁面單元處時(shí)，采用層流應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 ()由動(dòng)量輸運(yùn)與能量輸運(yùn)之間的Reynolds比擬可得相似的平均溫度對(duì)數(shù)律。與平均速度的壁面律一樣，溫度的壁面律包括兩段不同的規(guī)律：導(dǎo)熱支層的線性律，和湍流區(qū)的對(duì)數(shù)律。組分輸運(yùn)的壁面函數(shù)與傳熱相似。模型和雷諾應(yīng)力模型（如選擇由方程獲得壁面邊界條件選項(xiàng)）在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)求解方程。方程壁面處邊界條件為 ()式中，為壁面法線。至此，包括平均速度、溫度、組分濃度以及和等求解變量的壁面邊界條件都由壁面函數(shù)處理。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)成功應(yīng)用于廣泛的受壁面限制流動(dòng)。但是如果與其假設(shè)條件偏離太大，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)不夠可靠。特別是常剪切應(yīng)力假設(shè)和局部平衡假設(shè)限制了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的普遍性。近壁流動(dòng)有大壓力梯度以及強(qiáng)非平衡流動(dòng)的情況對(duì)預(yù)測(cè)效果有較大不利影響。由介紹可知，本論文的近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。3. 壁面函數(shù)法的限制和選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)于多數(shù)高Re數(shù)有壁面流動(dòng)能獲得合理精度的預(yù)測(cè)。通過計(jì)入壓力梯度和強(qiáng)烈非平衡效應(yīng)，非平衡壁面函數(shù)進(jìn)一步拓寬其適應(yīng)性。但如果流動(dòng)與壁面函數(shù)所賴以建立的假設(shè)條件偏離太大，壁面函數(shù)法的可靠性降低，如：（1）流場(chǎng)遍布低Re數(shù)或近壁區(qū)效應(yīng)（如狹縫內(nèi)流動(dòng)、高粘性系數(shù)低速流動(dòng)）；（2）透過壁面強(qiáng)烈的發(fā)散流動(dòng)（如吹風(fēng)或抽風(fēng)）；（3）強(qiáng)的壓力梯度導(dǎo)致邊界層分離；（4）強(qiáng)的體積力（如旋轉(zhuǎn)盤附近的流動(dòng)、浮力驅(qū)動(dòng)流等）；（5）在近壁區(qū)的高度三維效應(yīng)（如Ekman螺旋線、高度扭曲的三維邊界層）；當(dāng)上述情況是所模擬流動(dòng)的主要特征，并需要捕捉到該特征時(shí)，就必須采用近壁區(qū)模擬方法并在近壁區(qū)劃分適當(dāng)分辨率的網(wǎng)格。非平衡壁面函數(shù)部分地計(jì)入壓力梯度和偏離平衡的影響，建議在有分離、重接觸和沖擊等復(fù)雜流動(dòng)中，平均流動(dòng)和湍流均有較大壓力梯度且快速變化的情況下采用該模型。這對(duì)于壁面剪應(yīng)力（表面摩擦系數(shù)）和傳熱（Nu數(shù)或St數(shù)）的預(yù)測(cè)有利。 入口湍流邊界條件湍流模型需要湍流量的邊界條件。壁面處的湍流量邊界條件由模型本身或壁面函數(shù)確定。計(jì)算域流動(dòng)入口邊界的湍流量必須給定。由于入口湍流通常對(duì)下游流動(dòng)有較大影響，給定正確的入口邊界條件是非常重要的。給定入口邊界湍流量的理想方式是采用由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式建立的分布函數(shù)（profile）。在許多湍流流動(dòng)中，湍流主要是在剪切層中生成的，因而計(jì)算結(jié)果對(duì)入口邊界湍流量值不太敏感。在這種情況下，如果無法確定入口湍流量的分布剖面，也可以將湍流量的入口邊界條件指定為均勻分布值。但應(yīng)注意所給定的邊界條件不能過于偏離真是情況。此外，也可以采用指定湍流強(qiáng)度、湍流粘度比、水力直徑和湍流長(zhǎng)度標(biāo)尺等方式給定入口湍流邊界條件。1. 湍流強(qiáng)度定義湍流強(qiáng)度為脈動(dòng)速度的均方根值與某一特征平均速度之比。湍流強(qiáng)度取決于上游的流動(dòng)，并可由實(shí)驗(yàn)或上游流道的特性確定。對(duì)于管流，充分發(fā)展湍流核心區(qū)的湍流強(qiáng)度可用下式估算： ()式中，為以管道水利直徑為特征長(zhǎng)度的Re數(shù)。2. 湍流長(zhǎng)度標(biāo)尺湍流強(qiáng)度標(biāo)尺是與湍流中較大尺度的載能渦的大小有關(guān)的量。在充分發(fā)展湍流中，湍流中較大尺度渦受到流道壁面的限制，湍流長(zhǎng)度標(biāo)尺l與流道特征尺寸L之間對(duì)于多數(shù)情況都使用的一個(gè)粗略近似關(guān)系為 ()對(duì)于管流，L為水力直徑。如果湍流的特征長(zhǎng)度主要受流場(chǎng)中障礙物（如多孔板、導(dǎo)流片等）的影響，則應(yīng)根據(jù)障礙物的特征尺寸（多孔板孔徑和導(dǎo)流片間距）確定湍流長(zhǎng)度標(biāo)尺。對(duì)于入口為湍流邊界層的流動(dòng)，取湍流長(zhǎng)度標(biāo)尺與邊界層厚度的近似關(guān)系為。3. 湍流粘度比湍流粘度比與湍流Re數(shù)成正比： ()在高Re數(shù)邊界層、剪切層和充分發(fā)展管流中，數(shù)較大（在量級(jí)范圍）；在自由流邊界層內(nèi)較小（）。4. 湍流量關(guān)系式SA模型的修正湍流粘性系數(shù)與湍流強(qiáng)度I以及湍流長(zhǎng)度標(biāo)尺l的關(guān)系式如下為 ()湍動(dòng)能k與湍流強(qiáng)度I的關(guān)系式為 ()湍流耗散率與長(zhǎng)度標(biāo)尺l的關(guān)系式為 ()湍流耗散率與湍流粘度比以及湍動(dòng)能k的關(guān)系式為 ()阻尼網(wǎng)后方的湍流耗散率估算公式為 ()式中，為的衰減量；為來流速度；為計(jì)算域沿流向的長(zhǎng)度。比湍流耗散率與長(zhǎng)度標(biāo)尺l的關(guān)系式為 ()比湍流耗散率與湍流粘度比及湍動(dòng)能k的關(guān)系式為 ()使用RSM湍流模型時(shí)，可以顯式地指定Reynolds應(yīng)力分量值。如果不顯式地指定Reynolds應(yīng)力分量值，可在入口邊界采用湍流各向同性假定，并指定湍動(dòng)能k值，則： () ()3 模擬計(jì)算本研究方法主要是以模擬計(jì)算為主，主要采用UG、Pointwise、Fluent等軟件的強(qiáng)大功能來完成建模和計(jì)算任務(wù)，UG主要完成前期建模工作， Pointwise是Fluent 軟件的前處理模塊，它的主要作用是生成網(wǎng)格文件和定義邊界。Fluent進(jìn)行計(jì)算時(shí)則需完成網(wǎng)格的相關(guān)操作，選擇計(jì)算模型，湍流模型的選擇，定義流體的物理屬性，操作環(huán)境的設(shè)置等一系列參數(shù)設(shè)定，然后進(jìn)行求解，進(jìn)而得出所需數(shù)值及結(jié)論。Fluent 的軟件設(shè)計(jì)基于CFD 軟件群的思想，針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問題。 模型建立計(jì)算模型主要由UG NX 。計(jì)算模型主要由兩部分組成：①可調(diào)亞聲速噴管、高空室、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和排氣擴(kuò)壓器組成的高空試驗(yàn)艙；②YF16飛機(jī)進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)機(jī)頭部分組成的試驗(yàn)試物件。 亞聲速噴管的設(shè)計(jì)在亞聲速自由射流裝置中，噴管是保證試驗(yàn)段獲得設(shè)計(jì)M數(shù)的均勻氣流的重要部件，其作用就在于氣流等熵加速膨脹。使得氣體速度至噴管口達(dá)到所需求的M數(shù)。噴管的曲線形狀保證了氣流的均勻度。一般認(rèn)為，噴管的設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量對(duì)風(fēng)洞氣流性能有決定性的影響。噴管設(shè)計(jì)的主要問題是解決氣動(dòng)性、使用性和工藝性三者之間的矛盾。為了在噴管出口處得到合乎實(shí)驗(yàn)要求的均勻氣流，對(duì)噴管壁的曲線加工有非常嚴(yán)格的要求。噴管的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，可采用以下幾個(gè)指標(biāo)來衡量其好壞：（1）實(shí)驗(yàn)段截面的M數(shù)分布是否均勻；（2）噴管出口的氣流方向是否與風(fēng)洞軸線平行；（3）實(shí)驗(yàn)段是否達(dá)到設(shè)計(jì)M數(shù)；（4）噴管長(zhǎng)度是否適宜，尤其是一組M數(shù)不同的噴管應(yīng)該有相同的長(zhǎng)度。在本文研究中噴管非主要設(shè)計(jì)因素，故在噴管設(shè)計(jì)過程中采用樣條曲線完成對(duì)噴管的繪制，即采用在Excel中繪制基本樣條，然后導(dǎo)入U(xiǎn)G NX ，即可完成亞聲速噴管的建模。該模型噴口入口處為3m3m，。經(jīng)過修正后的噴管曲線坐標(biāo)如下所示， 樣條曲線1坐標(biāo)（mm）x0750150022503000375045005250600067507500y15001470143014101380135013201290126012301200z15001470143014101380135013201290126012301200 樣條曲線2坐標(biāo)（mm）x0750150022503000375045005250600067507500y15001470143014101380135013201290126012301