雷诺应力约束下的大涡模拟方法及其对槽道湍流的应用

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采用传统的RANS/LES混合方法计算壁剪切湍流问题时,一般将计算区域分成内外两层,靠近壁面区域的边界层内层采用雷诺平均(RANS)方法进行计算,而外层则采用大涡模拟(LES)方法进行计算。由于两种湍流模拟方法的物理本质不同,因而在内层向外层过渡时会出现问题。其中最典型的例子就是采用脱体涡模拟(DES)方法进行模拟时,在交界面处由于内层向外层过渡不合理而出现缓冲区(bufferlayer)的问题,从而导致平均场模拟不准确。如何使这两种方法合理地进行过渡,一直是RANS/LES混合方法研究中的一个主要方向。 本文基于约束下的大涡模拟的思想,提出了一种雷诺应力约束下的大涡模拟(RSC-LES)方法。该方法对于内层和外层区域都采用LES方法进行模拟。在内层采用加雷诺应力约束(RSC)的亚网格(SGS)应力模型。该模型将亚网格应力分解为平均部分和脉动部分,通过对亚网格应力的平均部分施加雷诺应力约束来代替求解RANS方程,以保证内层的LES模拟得到正确的平均速度场;对亚网格应力的脉动部分构造了动力学方法,使得内层能够产生足够的小尺度脉动。外层依然采用不加约束的LES方法进行模拟。虽然RSC-LES方法在内层采用LES方法进行模拟,但并不需要加密网格,所以相比DES方法并不增加计算量。 将RSC-LES模型应用到槽道湍流的模拟计算中,采用Fourier-Chebyshev伪谱方法,对壁面雷诺数直到2000的不同情况的槽道湍流进行了模拟,并与不加约束的LES方法和DES方法模拟的结果分别进行了比较。结果表明,RSC-LES方法可以成功地解决传统RANS/LES混合方法存在的内层向外层的过渡问题。该方法具有明确的物理意义,是一种简单可行的方法。
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