先进湍流模型与应用软件研究
发布时间: 2010-03-26 07:38:00
CFD技术已经成为大型民机研制中流动问题研究和气动设计的主要手段之一。美国波音公司和欧洲空客公司都对航空领域CFD技术的应用寄予厚望。最近欧盟认识到：基于CFD的航空领域中，湍流模式是设计链中最薄弱的环节。目前，以波音公司Spalart等开发的脱体涡模拟（Detached Eddy Simulation，DES）系列方法为代表的RANS/LES混合方法，受到国际上各类商业CFD软件开发单位的青睐，并得到迅猛发展。RANS/LES混合方法对近壁区的流动采用RANS方法模拟，对外区流动采用LES方法模拟。该方法结合了RANS和LES方法的优点，克服了各自的缺陷，节省计算资源，能够满足实际工程计算需求。然而，混合方法还存在一些缺陷，如需要给定的各种经验参数多，RANS和LES模拟区之间物理量不匹配导致存在非物理过渡区等。如何解决这些问题，特别是后一问题，成为研究的热点。一些著名学者如Moin，Hamba，Piomelli等人都曾尝试，但效果均不理想。Shur把DES改进为IDDES，但导致方法的复杂性。Leschziner 2007年9月在清华大学的报告中对RANS/LES方法做了总结介绍，其中提到该方法最主要的缺陷是近壁区模拟的结果没有小尺度脉动。IDDES未能解决此问题，所以DES方法的发明者Spalart也悲观地认为IDDES不是理想的发展方向。
在过去的五年里，实验室以国家大力发展大型民用飞机和航空发动机高保真CFD软件方面的重大需求为牵引，在RANS/LES混合方法存在的缺陷开发先进湍流模型，以及开发自主知识产权的航空CFD软件方面取得了重要进展。
（1）在湍流模型研究方面取得了重要进展。实验室近年来从湍流的Decimation理论出发，提出在建立大涡模拟亚格子（SGS）模型时引入必要的物理约束条件，使得所建立的模型够准确模拟湍流中的关键的物理过程的约束大涡模拟方法（Constrained Large Eddy Simulation, CLES）。2012年第23届国际理论与应用力学大会（ICTAM 2012）在北京召开，陈十一教授应邀做大会开幕式报告，向全世界力学同行宣讲实验室在CLES模型、多尺度计算方法以及CFD软件应用等方面近年来取得的重大进展。陈十一教授在2011年9月于北京举行的第4届国际RANS/LES混合方法研讨会上作关于CLES的邀请报告并收入Springer出版的专题文集。
在不可压缩壁湍流的模拟中，最重要的统计量就是流向平均速度。为了准确模拟该量，陈十一等人提出了对近壁的SGS模型附加雷诺应力约束的约束大涡模拟方法。与RANS/LES混合方法不同，新方法对全流场进行大涡模拟，在近壁模拟中可以产生足够的小尺度脉动，克服了RANS/LES混合方法在近壁区不能够产生小尺度脉动的缺点，解决了RANS/LES混合方法中RANS区域和LES区域之间产生非物理过渡区问题。由于在近壁区雷诺应力得到约束，计算所得平均速度满足RANS方程，克服了传统LES无法用较粗网格准确模拟近壁平均速度的缺点，且该方法很简洁。CLES多尺度建模的方法被国际同行借鉴。在雷诺应力约束CLES方法发表一年后，美国明尼苏达大学Verma在其博士论文“Large Eddy Simulation of high Reynolds number complex flows”中引用了实验室团队CLES的研究思路（http://conservancy.umn.edu/bitstream/143900/1/Verma_umn_0130E_13172.pdf）。有关该工作的评论2014年发表。
为满足航空航天气动问题中湍流模拟的需要，实验室团队将CLES方法推广到可压缩湍流，提出亚格子应力和亚格子热流约束条件，建立了可压缩湍流的CLES模型。针对CLES本身具有产生近壁脉动量的特点，团队开发了一种基于CLES的自适应的预测层流－湍流的方法。其中修正了雷诺应力约束条件，提出了自适应的雷诺约束亚格子应力模型，能够模拟从层流，转捩，到充分发展湍流的全过程，预测性能比DES等RANS/LES方法有所提高。团队还研究了其它物理约束条件下的湍流模型和相关计算方法。
（2）在自主知识产权航空CFD软件开发方面取得了重要进展。实验室团队承担了工信部重大预研项目《民用飞机XXXX》，发展我国自主知识产权的航空CFD软件平台，目标是准确地预测飞机的气动力，为我国的大飞机工程服务。研究团队通过与西北工业大学和中科院力学研究所的专家合作，经过五年的努力成功开发了自主知识产权的大型飞机外流气动力预测和分析CFD软件（软件名称：BXCFD，版本1.0）。该软件包括图形界面部分（预处理和后处理），核心求解器部分，以及湍流模型模块等部分。
2011年中国商飞与北京大学就自主开发大型飞机气动模拟BXCFD软件技术应用合作签署正式协议，同意选用中国商飞某型号飞机模型作为该软件的试用案例，通过双方合作加速了该软件的验证和评估，增强了我们自主知识产权的CFD软件与国外同类商业软件的竞争力，推动了大型飞机气动模拟CFD软件的完全国产化进程。2012年实验室团队利用BXCFD V1.0软件的CLES模块完成了中国商飞C919大型客机的全机气动模拟，计算结果获得中国商飞认可，并合作发表论文。中国商飞上飞院对于BXCFD软件的功能给予很好的评价：“……BXCFD V1.0的气动预测能力在常规巡航条件下已得到验证，可为大型客机的气动力计算提供支持，具有重大的科学研究意义和应用前景。”
为了满足国家发展航空发动机的战略需求，团队还积极改进和完善BXCFD V1.0的功能，使之能够用于航空发动机内流气动力和优化设计仿真计算。2014年实验室团队通过承担中航工业商发公司《大型涡扇发动机复杂流动的数值模拟技术与软件》研究项目，发展具有自主知识产权、适合工程应用的大型涡扇发动机各主要部件高保真度数值模拟技术和软件，为中航商发承担的大客发动机验证机项目提供有力的可持续发展的先进设计工具，同时解决大客发动机研制中所遇到的空气动力学高保真度仿真难题。
实验室在CLES湍流模拟和应用方面的代表性成果论文发表在流体力学权威期刊JFM，POF，Phys. Rev. E，J. Comput. Phys.以及J. Turbulence, Mod. Phys. Lett. B，Sci. Sinica等期刊上。