基于涡粘模型的扩压器湍流分离流动的数值模拟研究

摘要

扩压器内部的流动在工程应用中较为常见,并包含了流体力学典型的分离流动特征,即压力驱动流体从光滑壁面分离,沿流道斜面产生逆向压力梯度,会在扩压器后部区域形成一个不稳定的分离泡。当边界层发生分离时,大量能量高的流体与能量低的流体相互混合,造成流动动能、势能的损失以及流体机械效率的下降。因此,在流体力学的工程应用中,应用湍流模型准确模拟扩压器内部分离流动,并开展湍流模型的适应性研究,对扩压器流体力学的精确设计及降低流动阻力,既具有较强的理论指导意义又具有较高的实用价值。
　　本文分别建立了二维、三维扩压器流动的物理模型和数学模型,主要采用三种涡粘模型对扩压器内流问题进行了数值模拟研究。运用模型,并分别采用了六套不同的计算网格,对二维扩压器流动进行了数值模拟,通过数据对比,选出计算精度高且最为合理的网格系统。采用标准模型结合两种壁面函数法对二维扩压器流动进行了数值模拟,通过数据对比表明,两种壁面函数法的计算结果相差不大,且都不能模拟出流动的分离现象,计算精度较低。采用标准模型、低雷诺数模型以及模型对二维扩压器流动进行了数值模拟,对比分析了三种模型的计算结果,得出模型的计算精度最高,且较准确地模拟出了分离流动现象。采用模型,建立了二维扩压器的计算模型并对入口湍流量进行了参数研究,最终确定合理的入口湍流参数的经验算法。建立了三维扩压器的数值计算模型,并采用标准模型,低雷诺数模型分别进行计算,得到了三种模型在不同截面处的速度等值线图等,比较分析了三种模型的计算结果,得出模型在预测分离流动现象时,具有明显的优势。它能较为准确地预测出分离点的位置和回流区的大小。
　　本文应用CFD商业软件STAR-CD,建立了扩压器流动的数值模拟研究方法,包括物理模型和几何模型的创建,计算区域的确定,网格的生成,计算模型在软件中的创建及数据处理等。其次,本文比较了标准模型、低雷诺数模型以及模型在扩压器流动数值模拟中的应用特性,得出的结论为今后相似问题的研究提供了一定的参考依据。

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1 绪论

1.1 概述

1.2 国内外研究现状

1.3 计算流体力学的研究方法和工具[23]

1.4 本文的研究内容及方法

2 扩压器流动的数学模型

2.1流动的控制方程

2.2 湍流的数值模拟方法

2.3 湍流涡粘系数法

2.4 小结

3 扩压器内流场求解的有限体积法

3.1 STAR-CD软件介绍[27]

3.2 流体通用控制方程

3.3 控制方程的离散

3.4 同位网格中不可压缩流体的SIMPLE算法

3.5 代数方程的迭代求解和收敛判据

3.6 小结

4 二维扩压器流动的数值模拟研究

4.1 物理模型和几何建模

4.2 网格划分和边界条件

4.3 标准k??模型的计算结果分析

4.4 2v? ? f 模型与两方程k??模型数值结果的对比分析

4.5 二维扩压器v?2? f模型的参数研究

4.6 结论

5 三维扩压器流动的数值模拟研究

5.1 物理模型和几何模型

5.2 网格划分和边界条件

5.3 三种湍流模型数值模拟结果的对比分析

5.4 结论

结论

致谢

参考文献

主要符号表

攻读学位期间的研究成果