SST-DES在小分離流動數值模擬中的改進

王翔宇 李 棟

(西北工業大學 翼型葉柵空氣動力學國防科技重點實驗室，西安710072)

1 問題提出

分離渦模擬［1］(DES，Detached Eddy Simulation)是當前模擬復雜航空航天工程問題中分離流動的一種主要方法.作為一種RANS/LES的混合方法，DES將湍流模型中的長度尺度表征為一種壁面距離函數控制器，邊界層內流動仍受雷諾平均方法 (RANS，ReynoldsAveragedNavier Stokes)湍流模型主導，并未顯著提高計算量，而在大尺度分離區或遠場簡化為亞格子模型大大降低了湍流黏性，起到類似大渦模擬方法(LES，Large Eddy Simulation)隱式濾波的效果.早期的DES的一個主要問題是模型應力損耗(MSD，Modeled Reynolds Stress Depletion)導致的網格誘導分離現象(GIS，Grid Induced Separation)，邊界層內受到LES方法干擾湍流黏性降低，在小分離流動中出現明顯的非物理分離解［2］.為此，文獻［3］提出了延遲分離渦模擬(DDES，Delayed Detached Eddy Simulation)，通過引入控制函數保證邊界層內的 RANS求解，延遲了 RANS的作用范圍.

然而很多時候除了壁面上的分離點，對邊界層下游的自由剪切層(如翼型的尾跡區)流動信息同樣關注.從這一點來看，DDES對邊界層內RANS的延遲是以犧牲自由剪切層的LES可解性為代價的——延遲得到的較大湍流黏性可能從RANS/LES交界面開始向LES區作用，干擾了LES的分辨能力，出現了所謂的灰區［4-5］(grey area)，如圖1所示.

圖1 理想的DES模擬效果和實際的DES模擬效果［6］Fig.1 Comparison between the ideal situation and actual situation in DES［6］

從流動特性考慮，對大分離流動，漩渦的劇烈生成發展衰減耗散的過程同樣是湍動能不斷發展的過程，這個貫穿整個流場的過程將流動發展初期的可解信息不斷傳播循環到整個LES區，形成一個自反饋的機制使得灰區變得模……