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基于雷诺平均方法的边界层转捩数值计算研究

基于雷诺平均方法的边界层转捩数值计算研究

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作者：蔡林峰浙江大学

学位级别：硕士

边界层转捩对飞行器表面摩擦阻力和气动热影响显著,是流体力学领域中的一个重要研究方向。对边界层转捩问题的研究不仅有助于揭示复杂的湍流形成机理,更能够有效指导航空航天领域的工程设计。本文基于计算流体力学中的RANS(Reynolds Ave... 详细信息

边界层转捩对飞行器表面摩擦阻力和气动热影响显著,是流体力学领域中的一个重要研究方向。对边界层转捩问题的研究不仅有助于揭示复杂的湍流形成机理,更能够有效指导航空航天领域的工程设计。本文基于计算流体力学中的RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方法,拓展γ-Reθt转捩模型,对壁面粗糙度、压力梯度、横流不稳定和来流雷诺数等多因素影响下的边界层转捩流动开展数值计算研究。为了准确求解复杂的流动现象,本文基于有限体积方法开发建立了一套并行化的CFD计算程序。并采用LU-SGS隐式时间推进方法和当地时间步长等措施来加速离散方程求解的收敛速度。此外针对边界层转捩流动,本文通过引入k-ωSST湍流模型和γ-Reθt转捩模型来实现转捩流动的数值模拟。并以平板/机翼转捩流动为基准算例对CFD数值计算程序开展了数值验证工作,确保程序能够用于后续复杂转捩流动的数值计算。边界转捩影响因素众多,为了拓展γ-Reθt转捩模型的适用范围,实现横流不稳定转捩、粗糙表面诱导转捩以及高超声速可压缩转捩的准确模拟,本文在γ-Reθt转捩模型的基础上分别增加了不同程度的修正。针对横流不稳定转捩,本文编程实现了基于当地化横流强度特征量的横流修正方法,并进行了算例验证与探索;针对粗糙表面诱导转捩,本文在增加了湍流模型粗糙壁面边界条件的同时增加了等效沙粒模型来表征壁面的粗糙度,从而编程实现了粗糙表面诱导转捩模型修正方法;而针对高超声速可压缩转捩,本文在简化三方程转捩模型的基础上,通过引入转捩动量厚度雷诺数修正方法和湍流模型修正方法,实现了模型可压缩转捩的预测能力。最后,本文分别通过后掠机翼、粗糙平板、可压缩双楔、高超声速尖锥等算例对横流转捩修正模型、粗糙表面诱导转捩模型和可压缩转捩拓展模型进行了数值验证,并深入研究了来流雷诺数、后掠角大小、表面粗糙度等对边界层转捩的影响。

关键词：计算流体力学 γ-Reθt转捩模型横流不稳定转捩粗糙表面诱导转捩高超声速可压缩转捩

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