可压缩圆柱绕流的约束大涡模拟

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本文发展了一套基于有限体积方法的可压缩N-S方程的求解器,并利用该求解器对来流马赫数M∞=0.75,雷诺数ReD=2×105的跨声速圆柱绕流开展了数值模拟,研究了湍流模型以及边界条件对该问题的影响。  我们比较了在绝热壁面边界条件下传统LES模型、DES模型和CLES模型对该问题的模拟结果。结果表明,在网格较稀疏的情况下,CLES和DES模型都能准确的预测圆柱壁面附近的平均速度型和壁面摩阻系数,并且与实验结果符合较好。传统LES模型模拟的壁面摩阻系数与实验结果偏离很大,几乎是实验值的两倍。通过对圆柱背风面近尾涡区流场结构的研究发现,LES和CLES在近壁区能够捕捉丰富的小尺度结构,而DES所得结果的小尺度结构匮乏。结果说明,CLES模型兼有LES和DES模型的优点,可以用于模拟跨声速圆柱绕流这类具有大分离结构的可压缩流动。通过CLES流场,我们还研究了绝热壁面条件下,跨声速圆柱绕流中局部超声速区域的形成机制,分析了流场中激波的产生及运动行为。  进而,我们研究了恒温壁面条件下,不同壁面温度对跨声速圆柱绕流结果的影响,其中壁面温度分别固定为TW/T∞=0.8,1.0和1.2。研究结果表明:在不同的壁面温度下,圆柱的阻力系数、分离角、回流区长度等都受到了不同程度的影响。随着壁面温度的升高,阻力系数有所下降,平均分离点略微向圆柱前驻点方向移动,回流区的长度增长。此外,我们还发现壁面温度对流场速度分布的影响仅限于背风面及近尾涡区,对迎风面速度型的影响很小;而对温度、密度等热力学直接相关量影响较大,其影响蔓延到背风面下游较远区域。
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