SST-DES在小分離流動數(shù)值模擬中的改進(jìn)

王翔宇 李 棟

(西北工業(yè)大學(xué) 翼型葉柵空氣動力學(xué)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072)

1 問題提出

分離渦模擬［1］(DES，Detached Eddy Simulation)是當(dāng)前模擬復(fù)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(shù)控制器，邊界層內(nèi)流動仍受雷諾平均方法 (RANS，ReynoldsAveragedNavier Stokes)湍流模型主導(dǎo)，并未顯著提高計(jì)算量，而在大尺度分離區(qū)或遠(yuǎn)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(yīng)力損耗(MSD，Modeled Reynolds Stress Depletion)導(dǎo)致的網(wǎng)格誘導(dǎo)分離現(xiàn)象(GIS，Grid Induced Separation)，邊界層內(nèi)受到LES方法干擾湍流黏性降低，在小分離流動中出現(xiàn)明顯的非物理分離解［2］.為此，文獻(xiàn)［3］提出了延遲分離渦模擬(DDES，Delayed Detached Eddy Simulation)，通過引入控制函數(shù)保證邊界層內(nèi)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(diǎn)，對邊界層下游的自由剪切層(如翼型的尾跡區(qū))流動信息同樣關(guān)注.從這一點(diǎn)來看，DDES對邊界層內(nèi)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(qū)作用，干擾了LES的分辨能力，出現(xiàn)了所謂的灰區(qū)［4-5］(grey area)，如圖1所示.

圖1 理想的DES模擬效果和實(shí)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(fā)展衰減耗散的過程同樣是湍動能不斷發(fā)展的過程，這個貫穿整個流場的過程將流動發(fā)展初期的可解信息不斷傳播循環(huán)到整個LES區(qū)，形成一個自反饋的機(jī)制使得灰區(qū)變得模……