一種湍流入口數(shù)據(jù)生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及流體力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明公開了一種湍流入口數(shù)據(jù)生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 邊界層是所有流動現(xiàn)象中最為簡單的一種，即使是這樣簡單的模型，當(dāng)它向下游 發(fā)展時，會歷經(jīng)層流階段，然后是層流向湍流過渡的轉(zhuǎn)捩階段，最后是充分發(fā)展的湍流階 段。這過程中所經(jīng)歷的復(fù)雜的流動現(xiàn)象，人們迄今都還不能完全理解。同時湍流邊界層涉 及到工業(yè)領(lǐng)域許多方面，如湍流減阻、湍流噪聲、湍流振動等等，而這所有的一切都需要從 最簡單的邊界層流動研究起，逐步趨向?qū)嶋H應(yīng)用，所以邊界層成為湍流研究的基礎(chǔ)。
[0003] 對于空間發(fā)展的湍流邊界層而言，它對上游條件十分敏感，所以在采用數(shù)值模擬 方法（大渦模擬LES或是直接數(shù)值模擬DNS)對湍流邊界層進行模擬時，其入口邊界條件十 分重要，直接關(guān)系到數(shù)值計算成功與否，如圖1所示的LES或是DNS模擬的邊界條件示意 圖，湍流入口條件直接關(guān)系到LES或是DNS模擬的成功與否。因為湍流入口處的流動信息 (尤其是脈動信息）是未知的且隨時間變化的，在模擬時通常需要人為給出，人為給出的脈 動信息是否符合湍流特征，由此得到的下游充分發(fā)展湍流是否是接近真實湍流？這成為研 究人員十分關(guān)注的問題。
[0004] 對于湍流入口條件的研究而言，最基本的做法是將瞬時流動參數(shù)P分解為平均 參數(shù)歹和脈動參數(shù) < 兩項，平均參數(shù)是通過時間或是空間積分平均來獲得，而脈動參數(shù)則 是瞬時參數(shù)和平均參數(shù)的差量，即：歹這里P代表速度、溫度中的任意一種流動參 數(shù)。
[0005] 近十年來國內(nèi)外很多學(xué)者針對這方面開展了這方面的研究工作，大致包括：1.通 過實驗數(shù)據(jù)或是DNS計算數(shù)據(jù)構(gòu)造湍流入口數(shù)據(jù)。這類方法需要事先給定實驗數(shù)據(jù)或是 DNS計算數(shù)據(jù)，這樣就限制了該方法的使用；2.采用層流剖面作為入口處的平均參數(shù)，并將 脈動參數(shù)取為隨機量，兩者疊加后合成湍流入口數(shù)據(jù)。這類方法需要模擬從層流到湍流的 整個過程，在下游需要很長距離才能獲得湍流數(shù)據(jù)，帶來了很大的計算量，嚴重的影響了方 法的效率。3.通過流向擬周期性邊界條件，構(gòu)造輔助計算來獲得湍流入口數(shù)據(jù)。這類方法 是基于湍流邊界層的相似律，將下游的流動信息進行數(shù)據(jù)處理后引入上游作為上游的入口 條件，從而成為一種近似周期條件。這類方法長時間積分后會造成平均剖面的漂移，導(dǎo)致入 口處的邊界層厚度無法滿足給定條件。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 針對上述的問題，本發(fā)明提出了一種湍流入口數(shù)據(jù)生成方法。
[0007] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0008] -種湍流入口數(shù)據(jù)生成方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、獲取入口截面處的 平均參數(shù)；步驟二、從下游回收截面中提取出脈動信息，先將該脈動信息進行空間中的本征 特征分解處理后，再根據(jù)相似律進行比例變換，然后將結(jié)果作為入口的脈動參數(shù)；步驟三、 將平均參數(shù)和脈動參數(shù)相加合成湍流入口瞬時參數(shù)。
[0009] 更進一步地，上述方法還包括構(gòu)造了一個輔助計算來生成湍流入口數(shù)據(jù)。
[0010] 更進一步地，上述步驟一中的入口截面處的平均參數(shù)死^通過求解 Navier-Stokes方程的雷諾平均方程獲得。
[0011] 更進一步地，上述步驟二還包括邊界層重構(gòu)的權(quán)函數(shù)設(shè)計。
[0012] 更進一步地，上述邊界層重構(gòu)的權(quán)函數(shù)設(shè)計具體包括以下的步驟：
[0013] 步驟S21.從回收截面處提取出流動瞬時參數(shù)Ag，對其進行平均得到平均參數(shù) t，并將平均參數(shù)在邊界層內(nèi)分解為內(nèi)層參數(shù)Cy和外層參數(shù)< ;
[0014] 步驟S22.根據(jù)步驟S21得到的內(nèi)層參數(shù)和外層參數(shù)以及邊界層內(nèi)的相似 律，計算出入口截面處的內(nèi)層參數(shù) <；和外層參數(shù)cr;
[0015] 步驟S23.重構(gòu)平均參數(shù)
【主權(quán)項】
1. 一種湍流入口數(shù)據(jù)生成方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、獲取入口截面處的 平均參數(shù)；步驟二、從下游回收截面中提取出脈動信息，先將該脈動信息進行空間中的本征 特征分解處理后，再根據(jù)相似律進行比例變換，然后將結(jié)果作為入口的脈動參數(shù)；步驟三、 將平均參數(shù)和脈動參數(shù)相加合成湍流入口瞬時參數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的湍流入口數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于所述方法還包括構(gòu)造了一 個輔助計算來生成湍流入口數(shù)據(jù)。
3. 如權(quán)利要求1或者2所述的湍流入口數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于所述步驟一中的入 口截面處的平均參數(shù)氣1通過求解Navier-Stokes方程的雷諾平均方程獲得。
4. 如權(quán)利要求3所述的湍流入口數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于所述步驟二還包括邊界層 重構(gòu)的權(quán)函數(shù)設(shè)計。
5. 如權(quán)利要求4所述的湍流入口數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于所述邊界層重構(gòu)的權(quán)函數(shù) 設(shè)計具體包括以下的步驟： 步驟S21.從回收截面處提取出流動瞬時參數(shù)私y(tǒng)，對其進行平均得到平均參數(shù)再^， 并將平均參數(shù)在邊界層內(nèi)分解為內(nèi)層參數(shù)式；和外層參數(shù)< ; 步驟S22.根據(jù)步驟S21得到的內(nèi)層參數(shù)< 和外層參數(shù)以及邊界層內(nèi)的相似律， 計算出入口截面處的內(nèi)層參數(shù)始和外層參數(shù)藏；
步驟S23.重構(gòu)平均參數(shù) ％其中衫J權(quán)函 數(shù)； 步驟S24.優(yōu)化權(quán)函數(shù)K使得重構(gòu)的參數(shù)和給定的參數(shù)興^趨于一致，即通過優(yōu) 化權(quán)函數(shù)K使得-與_ (JT) ||最小。
6. 如權(quán)利要求5所述的湍流入口數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于所述步驟二中入口的脈 動參數(shù)仏的計算方法具體為：先從回收截面處提取流動脈動參數(shù)<，然后對該脈動信息 進行POD分解處理，忽略小能量的高階模態(tài)，得到新的脈動參數(shù)與t;然后將該脈動參數(shù) 分解成內(nèi)層參數(shù)和外層參數(shù)，并用相似律計算出入口處的內(nèi)層脈動參 數(shù)和外層脈動參數(shù),再將用優(yōu)化得到的權(quán)函數(shù)株重構(gòu)脈動參數(shù)^,將 得到的新的脈動信息作為輔助計算入口處的脈動參數(shù)
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種湍流入口數(shù)據(jù)生成方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、獲取入口截面處的平均參數(shù)；步驟二、從下游回收截面中提取出脈動信息，先將該脈動信息進行空間中的本征特征分解處理后，再根據(jù)相似律進行比例變換，然后將結(jié)果作為入口的脈動參數(shù)；步驟三、將平均參數(shù)和脈動參數(shù)相加合成湍流入口瞬時參數(shù)。這樣得到的湍流邊界條件充分的接近真實湍流的數(shù)據(jù)，能有效的保障主模擬的真實性和有效性。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104699951
【申請?zhí)枴緾N201510042249
【發(fā)明人】張兆, 黃思源, 王元靖, 陶洋, 趙忠良
【申請人】中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速空氣動力研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年1月27日