摘要
由于壁面附近流场参数梯度大,若采用传统的数值模拟方法(直接数值模拟DNS、大涡模拟LES)通常需要在壁面区布置极为致密的网格,计算代价高昂.一维湍流模型(One Dimensional Turbulence,ODT)是一种基于湍流微观过程的新型湍流数值模拟方法.其在一维计算域上引入随机方法进行湍流建模,在节约计算成本的同时能兼顾湍流的随机效应,模拟精度较高,近年来逐渐成为湍流数值模拟领域的研究热点.ODT模型的建模思想是将湍流过程看作由确定性分子扩散过程和随机性涡对流输运过程耦合而成:在确定性模块中通过求解不包含对流项的一维输运方程模拟分子扩散过程;在随机性模块中基于能量守恒构造随时空变化的涡发生率分布函数,通过随机采样方法与涡选择机制得到瞬时流场中涡的位置和尺度分布,从而模拟涡的对流输运过程.本文主要介绍了ODT模型的建模思想,并将该模型应用于低速(Reτ=395,590)不可压槽道流问题的求解.通过将ODT模拟结果与经典直接数值模拟(DNS)结果进行对比,验证了该模型方法的有效性.结果显示,ODT模型在近壁区对平均速度的模拟精度接近DNS的求解精度,但主流区求解精度有所衰减.ODT对脉动速度的模拟精度相对较低.采用ODT方法得到的雷诺应力与DNS结果高度吻合.由于ODT方法固有的局限性,模拟得到的湍动能平衡方程中各项在壁面处和近壁区的分布情况与DNS结果略有差异.总体上来看,ODT方法能够以远低于DNS的计算量获得较高精度的近壁区流场模拟结果.该方法本身能够不借助任何流动求解器(如LES或RANS)独立求解若干准一维流动燃烧问题,也可以作为亚格子模型与大涡模拟(LES)耦合求解复杂三维问题,并有望使常规LES在近壁区求解精度低的情况得以改善.该方法为湍流数值模拟提供了一种新的思路,具有广阔的应用前景.
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