[]1001246X(200304033506[收稿日期]2002-05-23;[修回日期]2002-08-28[基金项目]总装备部十五!及民机预研资助项目[作者简介]肖志祥(1974-,男,四川资阳,博士生,主要从事计算流体力学方面的研究.湍流模型在复杂流场数值模拟中的应用肖志祥,李凤蔚,鄂秦(西北工业大学114#流体力学研究所,陕西西安710072[摘要]采用4种湍流模型:代数BaldwinLomax(BL模型、半方程JohnsonKing(JK模型的两个版本(JK90A和JK92以及两方程kg模型,分别数值模拟了导弹超音速流动、NASATND712标模和民机翼身组合体(两区CO网格跨音速流动.采用中心有限体积和多步RungeKutta方法数值积分三维可压缩雷诺平均NavierStokes(NS方程组.kg湍流模型方程的求解采用类似于NS方程组的方法进行.所有湍流模型均能很好地模拟附体及小分离流动;对于大攻角、分离剧烈的导弹流动,kg和JK92模型与实验吻合更好;BL模型在模拟民机跨音速流动时,它所捕捉的激波位置较其余3种模型靠后.利用多块网格模拟民机翼身组合体流场时,kg模型的模拟能力强于其余3种模型.[关键词]多块网格;翼身组合体;湍流模型[]V2113[文献标识码]A0引言随着计算机CPU速度的提高,硬盘及内存容量的持续增大,以及数值计算方法的不断完善,计算流体力学(CFD已经成为民用飞机气动设计过程中的一个强有力的工具.然而湍流模型仍然是阻碍人们应用NS方程组进行飞机设计的瓶颈之一.近20年来,人们对粘性流动进行了比较深入的研究,提出了许多湍流模型,具有代表性且应用较广的模型是:代数BL模型,半方程JK模型,一方程SpalartAllmaras模型,以及两方程k和k模型等.评价一种湍流模型的优劣,不能片面地只看它在某一方面的表现,还应综合考虑精度、效率和鲁棒性的影响.几乎所有的湍流模型都能较好地模拟附体及小分离流动,对于大攻角、大分离复杂流动如导弹绕流,没有任何一种湍流模型能够表现出超群的模拟能力,甚至于两方程模型也是如此[1].翼身组合体的求解是进行全机粘性绕流数值模拟的基础,解决了翼身组合体的粘性网格生成、湍流模型长度尺度处理以及在此基础上的其它NS方程求解技术,便为数值分析全机粘性绕流打下了良好的基础.准确而有效地数值模拟单独机翼和机身的粘性流场,则是求解翼身组合体流场的基础.1计算方法采用求解椭圆型偏微分方程和代数方法相结合,生成计算网格:物面附近的网格采用代数方法沿物面法向外推;远离物面的网格采用椭圆型方法生成;将两种网格合并成单块整体网格.该方法生成的网格正交性良好,网格尺度易于控制.采用中心差分格式加人工粘性的有限体积法离散NS方程组,用四步RungeKutta方法进行显式时间推进.在计算过程中采用当地时间步长加速收敛;对残值进行光顺处理,能够有效抑制奇偶波动,增大依赖域,增加CFL数,加快收敛速度;对人工粘性的差分格式和边界处理进行了改进,考虑到粘性网格大长宽比的特点,减少了人工粘性对物理粘性的干扰,使该方法更鲁棒,收敛性也得到了很大的改善.为更好地捕捉激波位置、模拟强激波诱导的分离流动以及增加数值稳定性,本文对Jameson人工粘性格式中压力感应因子进行了改进,以i方向为例,p,i=|Pi-1-2Pi+Pi+1|(Pi-1+2Pi+Pi+1+(1-(|Pi-Pi-1|+|Pi+1-Pi|,第20卷第4期计算物理CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSVol.20,No.4其中0<1.∀当=1时,上式为原始的Jameson压力感应因子,改进后的压力感应因子取为05.修改后的人工粘性具有类TVD的性质,能有效地避免不真实的数值振荡.跨音速流场采用一维Riemann不变量处理远场边界条件;超音速流场,在入口处直接用自由来流值,在出口处,流动变量由流场内变量外插得到.光滑物面处应用无滑移、法向零压力梯度和绝热壁边界条件.三维流场中,假定流场关于xy平面对称.2湍流模型21BaldwinLomax模型BL模型[2]被广泛应用于CFD领域,其优势和缺陷都非常明显.即:BL模型能够较好地模拟附体流动;对于较小的局部分离流动,该模型也有一定的模拟能力;当采用BL模型计算跨音速分离流动时,其激波总是较实际位置靠后.BL模型是一个基于Prandtl混合长度理论的双层代数模型,内层粘性系数定义为!t,i(BL=(04D(BL#2∀,(1∃其中D(BL=1-exp(-#+/26,#+=#(w%w05∀/!w,∀为密度,#是网格单元距物面或尾迹割线的法向距离,∃为旋度的模,下标w代表物...