《任意连续变化来流条件下不稳定分离绕流数值仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《任意连续变化来流条件下不稳定分离绕流数值仿真（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国T 程热物理学会热机气动热力学 学术会议论文062087 、任意连续变化来流条件下不稳定 分离绕流数值仿真 吴文权刘涛余昊菲 上海理工大学2 0 0 0 9 3 w q w u v n e t c i t i z n e t 0 2 1 - 2 8 3 0 3 9 6 1 摘要 为模拟自然现象和实际工程中，随机不确定因素的影响，对任意连续变化的来流条 件下，绕任意形状物体的不稳定、分离流动，采用了离散涡方法进行数值仿真。来流条 件的变化包括来流速度方向和大小，如可以任意设定来流变化时间帮，模拟自然风绕建 筑群分离流动，真实情况下污染对流扩散。当来流条件随时间任意连续变化时，并非是 从头开始
2、重新计算，而是在前来流条件的流动基础上，随变化后的来流条件下继续进行。 所以数值仿真是步步发展、与时俱进。充份发挥了离散涡方法的特点。给出了实验算例。 引论 无论是自然界或实际工程问题中都存在着许多不确定因素。例如发动机工作的周围 条件、载菏都在变化；当研究交通污染对流扩散时，车流、车况、风向、风速都在任意 变化。自然界从来没有长期固定不变的风。湍流就是大家周知的不确定现象。随着实践 和科学的发展，人们对未知的追索，也由对确定性问题的研究向非确定性问题的发展。 经上半个世纪的努力，人们对确定性问题的数值仿真取得了很大的发展。则自然会进而 研究对随机不确定问题的数值仿真。经典的随机过程模拟方法是
3、蒙得卡罗( M o n t e C a d o ) 方法。即随机采样，对每一个。实现”进行计算，然而进行统计。为了求得统 计特性，必须大量采样。而且是多尺度问题，计及小尺度影响，网格必须很细。这样计 算工作量大，事实上很难进行。近年国际已开始了这方面的研究，取得了初步的结果【1 】。 我们在此文中是进行了初步的探索。考虑了任意连续变化来流条件下，绕任意物体不稳 定、分离流动的数值仿真。以取得相应的认识。 一基本流动模型 以往工作中，我们已取得了一些基本认知1 2 - 4 ：绕任意钝体的流动必然存在分离； 而绕流线型如叶栅流动，无论正负冲角时，亦将分离；分离流动的本质是旋涡的发生和 发展；旋涡运
4、动的本质是不稳定的；所以即使在定常来流条件下，这分离流动是非定常、 不稳定的；由此研究旋涡运动是研究分离流动的有效途径。作为一个典型，我们研究当 来流条件任意连续变化时，绕叶栅流动。研究冲角如何影响分离流动、如何使流动处于 稳定与不稳定之间变化。我们要强调的是这不同于一般的不同来流条件下的流动。这是 来流条件连续的变化，而这变化前的流动影响变化后的流动，后者是继承了前者的流动， 是真实地反映了来流条件变化时的实际过渡情况。 国家自然科学基金资助项目5 0 5 7 6 0 5 5 7 6 8 二离散涡方法 我们采用了离散涡方法仿真这不稳定、剧烈分离流动。 旋涡动力学方程d c o ：旦竺+ 矿v
5、 缈： 旋涡动力学方程d t2 亏+ y V 缈= v A 根据B i o t - - S a v e r t 定律，由旋涡诱导弹速度为 m 力= 圪去野习高揣 流函数一旋涡方程甲= - - ( 0 ( 2 ) ( 3 ) 可以进一步引入流函数甲。除了由旋涡诱导速度外，尚存在由来流形成的流函数。这 两者可以线性相加。即 甲= L + 甲E + 匕 ( 4 ) 式中，、圪：来流所形成都流函数； 、王，F ：已存在的旋涡所诱导弹流函数； 甲f ：新产生的旋涡所诱导弹流函数； 这三者线性相加，形成总的流函数。当来流条件变化时除影响、j 气外，亦将影响其它。 这些影响线性相加，这样计算就特别方便。甲占
6、是已存在旋涡所诱导弹流函数。这就保 持了非定常、不稳定过程中历史的影响。而甲f 是流动条件变化后，新产生的旋涡所诱 导流函数。物理慨念十分清晰。我们可以分别考虑不同的影响，而且是随时间步步发展。 充份计及非定常、不稳定过程。体现了离散涡方法的优点。 三典型试验算例 以N A C A 0 8 叶型组成叶栅，其按奘角为4 0 0 。计算中采用了无量纲参数： ：坛矿；，= 钐 ( 5 ) 式中：L 为长度；V 为速度；t 为时间；上标幸为无量纲，下标o O 表示来流。因此无量纲来流速度为1 。计算中选取参数为：叶片上分点步长 心0 0 5 ；时间步长f = O 0 5 ，咒1 。确保计算稳定性条件。
7、旋涡数 2 0 0 0 。计算的叶栅通道数可以任意选取。我们作为试验选取3 个通道。不眨典型性。 我们保持来流速度大小不变。进行了两组试验： 1 ) 设定连续变化来流角度为7 0 0 、5 5 0 、4 0 0 、2 5 0 、1 0 0 ，即冲角i 分别为3 0 0 、1 5 0 、 0 0 、1 5 0 、一3 0 0 ，每计算4 0 0 时间步。相当于厂= 2 0 ，4 0 ，6 0 ，8 0 时变化一次，连 续变化比较平坦。结果见图1 1 3 。 。 2 ) 来流角度由i = 3 0o ，经4 0 0 步后，变为一3 0o 。结果见图1 4 - 2 0 。 这些计算结果都制成动画，可以
8、显示全部过程，更为明确。文中仅显示了几个典型 图案。 7 6 9 四计算结果分析 从第一组实验中图1 可以看到当大正冲角i = 3 00 时，存在着剧烈分离，流动的不 稳定性。图2 虽然冲角已减少为i - 1 5o ，但有一个过渡过程，图2 - 6 所示，流动逐渐 趋于平缓。当i = 0o 图7 1 所示，流动完全平稳。当冲角逐渐变为负冲角时，流动又开 始存在分离，但不如正冲角时剧烈。总之当冲角有变化时，都有一个过渡过程，并不是 立即变化的。 第二组冲角变化比较激烈，当f = 2 0 时冲角由3 0o 变为3 0o ，其过渡过程也比 较长，见图1 4 1 8 。逐渐趋向于平坦。 从以上计算结果
9、中，都反映了非定常、不稳定过程【5 】。 五结论， 从以上数值实验中，我们可以得到以下结论： 1 ) 当来流条件发生变化时，都存在非定常、不稳定的过度过程。如果我们要研究这变 化的全过程，例如研究自然风，即风向风速随时变化所产生的影响；发动机的启动 过程等时，则必须进行非定常、不稳定的数值仿真。这不同于一般的变工况计算中， 固定一个来流条件计算。 2 ) 相比两组实验，见图1 0 1 1 与图1 5 - 2 0 ，同样变为3 0o 。可知冲角，当第二组实验变 化激烈时，则过渡过程也越长。 3 ) 离散涡方法是研究这类非定常、不稳定过程的有效工具。 这个研究有助于我们理解随机不确定过程的研究。
10、参考文献 【1 】M K l e i b e t ：P r e f a c e ，C o m p u t e rM e d I o d si nA p p l i e dM e c h a n i c sa n dE n 百n e e f i n 舀16 8 ( 19 9 9 ) ，1 2 【2 】吴文权，旋涡的场特征与物资性离散涡方法的基础，工程热物理学报，1 9 9 6 ， V 0 1 1 7 ( 3 ) 【3 】吴文权，旋涡动力学方程非定常动边界条件工程热物理学报，2 0 0 2 ，、，o l ，2 3 ( 3 ) ：2 8 9 2 9 2 【4 】吴文权、韩云霞，变工况非定常叶栅绕流数
11、值仿真，工程热物理学报，2 0 0 3 ，2 4 ( 1 ) ：3 1 3 4 + 圈D L u c o re t c ，P r e d i c t a b i l i t ya n du n c e r t a i n t yi nC F D ，I n t J N u m e r M e t h F l u i d s ，2 0 0 3 ，4 3 A 8 3 S O S ) 图1i = 3 0o t = 1 9 9 5 时流谱 7 7 0 t射0 0 5l l j 2 t 图2i = 1 5o ，t = 2 0 0 时流谱 ” 3 ” 2 ” o h I- 0 5Oo jlI j2 誓 图3
12、j = 1 5o ，t = 2 0 0 5 时流谱 I- o 5 O0 5 I1 5 I 图5i = 1 5o ，t = 3 0 0 5 时流谱 3 j 3 2 j 2 h 1 5 l o 5 O - l- o 5O 3 5 3 2 ， 2 1 5 l 0 5 O ，5 3 “ 2 h I 5 1 0 5 O 誓 图4i = 1 5o ，t = 2 3 0 时流谱 j j j 乒 ， ：? 7 ，7 ： ，i ， ， ：。j f 7 ， j 。? t I- o 5 图6 O0 , 5 t i = 1 5o 。 II j2 t = 3 9 9 5 时流谱 O 5l1 52- 1o 5O I 图7
13、i = 0o ，t = 5 0 0 5 时流谱 7 7 1 O 5lI 52 I 图8i = 1 5o ，t = 7 0 0 时流谱 。誓 I 图9 i = - 1 5o ，t = 7 9 9 5 时流谱 鼍 图1 1 ，i = 3 0o ，t = 8 5 0 时流谱 x 图1 3i = 3 0o ，t = 9 9 9 5 时流谱 图1 0i = 3 0o ，t = 8 0 2 0 时流谱 I 图1 2i = 3 0o ，t = 9 0 0 时流谱 图1 4 _ 3 0 0 t = 1 9 9 5 时流谱 鼍 图1 5 i - 3 0 0 t = 2 0 0 时流谱 ，j 3 ” 2 1 5 I O J O x 图1 7i = 3 0o ，t = 2 0 2 0 时流谱 I彤0 图1 9 净3 0o ， 0 5 lI j2 x t = 3 0 0 时流谱 图1 6i - - 3 0O pt = 2 0 1 0 时流谱 x 图1 8i = 3 0 0 t = 2 0 5 0 时流谱 3 5 3 2 S 2 h 1 5 1 0 5 O 7 7 3 Io 5 0I1 52 x 图2 0i = 3 0 0 t = 3 9 9 5 时流谱
