數值耗散對壓氣機流動分離渦模擬的影響研究

田 鋮, 江思雅,2,3, 符 松*

(1.清華大學 航天航空學院,北京 100084; 2.中物院高性能數值模擬軟件中心,北京 100088; 3.北京應用物理與計算數學研究所,北京 100088)

1 引 言

航空發動機是飛機的心臟。現代航空發動機的核心部件包括壓氣機、燃燒室和渦輪。其中,壓氣機承擔增加空氣壓力的任務,是發動機熱力循環必不可少的一部分。我國正大力發展更先進的航空發動機,這要求壓氣機具有更好的氣動性能。為實現這一目標,必須深入理解壓氣機內部流動機理。然而,由于壓氣機部件高速旋轉,而且內部空間狹小,流動實驗測量受到很多限制。計算流體力學CFD(Computational Fluid Dynamics)可以復現壓氣機內部流動細節,是壓氣機流動研究的有力工具。

在壓氣機流動模擬中,湍流模式起關鍵作用。目前,工程上最常用的湍流模式是雷諾平均方法RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)。然而,壓氣機內部流動有強旋轉特性,且包含葉尖泄漏渦和端壁分離渦等復雜渦系。對于這樣復雜的流動,RANS方法在準確性方面存在缺陷。大渦模擬LES(Large Eddy Simulation)和直接數值模擬DNS(Direct Numerical Simulation)是更準確的湍流模擬方法,但計算成本很高,目前主要應用于雷諾數較低的流動。為了兼顧湍流模擬的準確度和計算效率,學者們提出了RANS/LES混合方法。

分離渦模擬DES(Detached Eddy Simulation)是一類RANS/LES混合方法,其基本思想是在附著邊界層使用RANS進行模擬,而在大分離區域使用LES進行模擬。通過混合,DES既克服了RANS對大分離流動模擬不準確的缺陷,又克服了LES在附著邊界層要求網格過密的缺陷。DES首先由Spalart等[1]提出,至今已有很大發展,主要改進版本包括DDES(Delayed DES)[2]和IDDES(Improved Delayed DES)[3],本文統稱為DES類方法。……