大渦模擬濾波網(wǎng)格分析及網(wǎng)格自適應控制研究與應用.pdf

1、隨著對湍流研究的不斷發(fā)展和深入，工程界對于自然環(huán)境和工程流動的分析預報提出了更多、更高的要求。大渦模擬方法是現(xiàn)階段計算機水平下，對復雜流動進行較精確預測的最有效途徑之一。濾波網(wǎng)格尺度是大渦模擬方程中的關(guān)鍵參數(shù)，大渦模擬數(shù)值計算中濾波網(wǎng)格尺度多通過計算網(wǎng)格尺寸的某種函數(shù)式獲得，這便使得大渦模擬計算結(jié)果從根本上受到計算網(wǎng)格尺寸和空間疏密分布的直接影響。而基于湍流能譜分布，適宜的濾波網(wǎng)格尺度應位于湍流慣性副區(qū)內(nèi)。計算網(wǎng)格的不合理控制或劃分將會

2、導致濾波網(wǎng)格尺度的計算值和適宜值不相匹配，進而影響著大渦模擬計算結(jié)果的合理性、可靠性和經(jīng)濟性。因此，本文將主要研究焦點定位于開展大渦模擬中適宜濾波網(wǎng)格尺度的深入理論研究，嘗試解決基于湍流物理意義上的適宜濾波網(wǎng)格尺度確定的基礎問題；并致力于從物理意義層面上來建立合理、可行的針對大渦模擬方法的計算網(wǎng)格控制機制。
　　 本文深入開展了大渦模擬適宜濾波網(wǎng)格尺度的理論研究，首次提出了湍流流動結(jié)構(gòu)中的“能量比系數(shù)”概念，依據(jù)湍流理論和大渦模

3、擬方法思想，從慣性副區(qū)的能譜分布規(guī)律出發(fā)，合理導出了適宜濾波網(wǎng)格尺度的計算表達式；基于大渦模擬控制方程，并結(jié)合Karman-Howarth方程推導思路，從另一角度建立了適宜濾波網(wǎng)格尺度的又一等量計算表達式；確定了反映適宜濾波網(wǎng)格尺度的湍流參數(shù)(包含湍動能、湍流耗散率和“能量比系數(shù)”)?；谕牧鞑煌謪^(qū)特征，給出了適宜濾波網(wǎng)格尺度計算式中“能量比系數(shù)”的合理取值范圍；借助小波分析多尺度方法，并結(jié)合不同流動實驗的數(shù)據(jù)采集和信號分析，進一步得

4、出了“能量比系數(shù)”的綜合推薦方程。
　　 為實現(xiàn)本文所提的大渦模擬適宜濾波網(wǎng)格尺度計算，開展了相應的支撐性研究工作。為給大渦模擬適宜濾波網(wǎng)格計算中分析信號樣本數(shù)的設定提供理論依據(jù)，結(jié)合小波分析和統(tǒng)計檢測理論，提出了一種相對合理的確定湍流采樣數(shù)據(jù)量尺度的方法；為給大渦模擬適宜濾波網(wǎng)格計算中提供優(yōu)選的小波基函數(shù)，基于湍流時頻特性和信息熵理論，建立了以品質(zhì)因數(shù)和特征譜熵值為評價指標的小波基選取流程；為給大渦模擬適宜濾波網(wǎng)格計算中提供可

5、靠的湍流采樣信號數(shù)據(jù)，提出了一種改進的小波閾值消噪方法，以盡可能地消除湍流數(shù)據(jù)采集中的干擾噪聲污染。為有效辨識區(qū)分湍流不同流動尺度特征，提出了一種基于小波和雙譜分析的辨識相干結(jié)構(gòu)的方法，建立了基于小波分析辨識湍流含能尺度的能量最大準則。
　　 本文基于“濾波網(wǎng)格尺度計算值(計算網(wǎng)格尺寸的函數(shù))與適宜濾波網(wǎng)格尺度相匹配”的思路，提出了具備一定物理意義的大渦模擬網(wǎng)格自適應控制新方法。該方法能通過自適應優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)格劃分和疏密分布，建立

6、與適宜濾波網(wǎng)格尺度相匹配的計算網(wǎng)格分布。首次定義了新的針對大渦模擬計算網(wǎng)格的自適應調(diào)整指標-“網(wǎng)格比系數(shù)”，并給出了自適應網(wǎng)格控制中近壁面計算網(wǎng)格處理的合理方法。通過網(wǎng)格自適應指標的不斷調(diào)整，使得計算網(wǎng)格分布和適宜濾波網(wǎng)格尺度相適應，并可以在雷諾時均計算網(wǎng)格的基礎上逐步調(diào)整出適于大渦模擬的計算網(wǎng)格。本文成功應用新方法實現(xiàn)了雷諾數(shù)Re=5147后臺階流動、雷諾數(shù)Re=37500后臺階流動和雷諾數(shù)Re=5730經(jīng)典槽道流動的大渦模擬網(wǎng)格自適

7、應控制，進行了三個流動應用實例的自適應網(wǎng)格大渦模擬結(jié)果、精細網(wǎng)格(其網(wǎng)格數(shù)約為自適應網(wǎng)格數(shù)的3倍)大渦模擬結(jié)果、直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)的對比分析。結(jié)果表明，自適應網(wǎng)格的大渦模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)和直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)符合良好；自適應網(wǎng)格可以在網(wǎng)格總數(shù)相對少的情況可以通過自適應控制網(wǎng)格分布取得與精細計算網(wǎng)格幾乎相近的流動數(shù)據(jù)。通過自適應控制可改進大渦模擬計算網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格分布的質(zhì)量，并能有效降低數(shù)值計算代價。結(jié)論有效驗證了本文所提的適宜濾波網(wǎng)

8、格尺度和新方法的合理性、可靠性和經(jīng)濟性等特點。
　　 本文首次應用新方法更深入地開展了等寬離心風機葉輪流道大渦模擬計算網(wǎng)格的網(wǎng)格指標分布以及自適應調(diào)整、大渦模擬和實驗數(shù)據(jù)對比分析等工作。開展了可視化低速等寬離心風機葉輪性能測試和內(nèi)部流道PIV測量的實驗研究，有效獲取了三種不同風機葉片的內(nèi)部流速分布和性能數(shù)據(jù)。本文實現(xiàn)了三種不同風機葉片的離心葉輪流道的大渦模擬網(wǎng)格自適應控制調(diào)整，所得適于離心葉輪流道的計算網(wǎng)格分布與旋轉(zhuǎn)流道流動特征