超聲速復雜流動中湍流模型的性能評估

趙 瑞 閻 超

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

超聲速復雜流動中湍流模型的性能評估

趙 瑞 閻 超

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

對 8°,16°,20°,24°超聲速二維壓縮拐角進行了數值模擬,系統評估了 SA(Spalart-Allmaras),k-ω,SST(Shear Stress Transport)3種工程常用湍流模型對激波/邊界層干擾復雜流動的模擬適用能力.對于“弱”干擾、小分離,工程常用湍流模型能夠較準確地預測其壓力、摩擦力、熱流分布,而對于“強”干擾、大分離則會造成較大的偏差.同時,隨著分離區的增大,各湍流模型的適用性能差別更加明顯,數值方法也有一定的影響.

超聲速流動;湍流模型;激波;邊界層;計算流體力學

在超聲速飛行器設計中,激波/邊界層干擾等復雜流動會對飛行器局部產生嚴重的氣動力、氣動熱載荷.目前對于該流動現象的模擬主要有直接數值模擬(DNS,Direct Numerical Simulation),大渦模擬(LES,Large Eddy Simulation)以及從雷諾平均 N-S方程出發的湍流模型理論 RANS(Reynolds Average Navier-Stokes).盡管 DNS和LES能夠更為準確地刻畫流動細節,但是需要海量網格,這對于工程實際問題,尤其對于超聲速高雷諾數流動,是十分不現實的.RANS由于其易實現性,高性價比以及強魯棒性一直是應用 CFD(Computational Fluid Dynam ics)解決工程湍流問題最實際、最有效的選擇.

自 20世紀 70年代以來,國內外對激波/邊界層干擾等復雜流動現象進行了大量試驗和計算研究.在國外,文獻[1-4]對壓縮拐角進行系統的試驗研究,并編制了高超聲速激波/邊界層干擾試驗數據庫;文獻[5]采用 DNS方法對壓縮拐角進行數值模擬,并分析了激波/邊界……