风雷软件LES开发设计与验证

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27171

流体力学与飞行力学

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风雷软件LES开发设计与验证

张子佩¹^,², 赵钟¹^,²(), 陈坚强¹^,², 刘健¹^,², 邓小兵¹^,²

^1.空气动力学国家重点实验室，绵阳　621000
^2.中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，绵阳　621000

收稿日期:2022-03-18 修回日期:2022-05-02 接受日期:2022-05-25 出版日期:2023-03-25 发布日期:2022-06-17
通讯作者: 赵钟 E-mail:bell_cardc@163.com
基金资助:
国家数值风洞工程

Development and verification of LES model in NNW-PHengLEI

Zipei ZHANG¹^,², Zhong ZHAO¹^,²(), Jianqiang CHEN¹^,², Jian LIU¹^,², Xiaobing DENG¹^,²

^1.State Key Laboratory of Aerodynamics，Mianyang 　621000，China
^2.Computational Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 　621000，China

Received:2022-03-18 Revised:2022-05-02 Accepted:2022-05-25 Online:2023-03-25 Published:2022-06-17
Contact: Zhong ZHAO E-mail:bell_cardc@163.com
Supported by:
National Numerical Windtunnel Project

摘要/Abstract

摘要：

基于国家数值风洞风雷软件开源框架，设计开发了LES（Large Eddy Simulation）湍流模型，主要包括Fourier谱/有限差分方法LES求解器和有限体积/有限差分方法LES求解器。简要介绍了采用的不可压缩流动求解的投影法、Fourier谱/有限差分混合方法、亚格子模型等理论方法，给出设计的软件框架和计算流程，尤其说明采用的松/紧2种耦合模式。通过数值模拟不可压缩槽道湍流、亚临界雷诺数圆柱绕流、NACA0012临界攻角的低频振荡算例，验证求解器的计算精度和复杂湍流模拟能力。基于风雷开源框架设计的开源LES模型，具备高精度数值格式、亚格子模型、湍流统计等通用模块，可为国内学者提供一个LES湍流模拟研究的开放平台。

关键词: 大涡模拟, 国家数值风洞（NNW）工程, 风雷软件, 投影法, Fourier谱/有限差分方法, 不可压缩槽道流动, 圆柱绕流, 低频振荡

Abstract:

An LES model is developed based on the open-source framework provided by the NNW-PHengLEI software. This model mainly includes a hybrid Fourier spectra/finite difference LES solver and a finite volume/finite difference LES solver. The projection method for incompressible flow solution， the hybrid Fourier spectra/finite difference method and subgrid-scale models are briefly introduced， and close/loose coupling architectures of the two solvers are described in detail. The incompressible channel flow， the flow past a circular cylinder at sub-critical Reynolds number and the natural low-frequency oscillations of flow around a NACA0012 are numerically simulated， and the results show that the two solvers have high numerical accuracies and complex-turbulence simulation capabilities. The PHengLEI-LES solver is equipped with common modules including high-order difference schemes， subgrid-scale models and turbulence-statistic methods， providing an open-source LES platform for turbulence simulation research.

Key words: LES, National Numerical Wind tunnel (NNW) Project, PHengLEI software, projection method, hybrid Fourier spectra/finite difference, incompressible channel flow, flow past a circular-cylinder, low-frequency illations

中图分类号:

张子佩, 赵钟, 陈坚强, 刘健, 邓小兵. 风雷软件LES开发设计与验证[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 127171-127171.

Zipei ZHANG, Zhong ZHAO, Jianqiang CHEN, Jian LIU, Xiaobing DENG. Development and verification of LES model in NNW-PHengLEI[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(6): 127171-127171.

图/表 22

图 1

图 2

图 3

图 4

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图 7

表 1

图 8

图 9

图10

表 2

图11

表 3

图12

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图16

图17

图18

图19

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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算例序号	数值方法	L_x	L_y	L_z	N_x	N_y	N_z	Δx⁺	Δy⁺	Δz⁺	亚格子模型
A	Fourier谱/高阶有限差分方法	2πh	2h	πh	256	192	192	10	0.2~12.0	6.7	无
B	Fourier谱/高阶有限差分方法	2πh	2h	πh	128	192	96	20	0.2~12.0	13.0	SM
C	Fourier谱/高阶有限差分方法	2πh	2h	πh	128	192	96	20	0.2~12.0	13.0	DSM
D	Fourier谱/高阶有限差分方法	2πh	2h	πh	128	192	96	20	0.2~12.0	13.0	Sigma
DNS^［43］	Fourier谱/ Chebyshev多项式	2πh	2h	πh	256	192	192	10	0.2~12.0	6.7	无
DSM^［11］	4th order Galerkin finite element	3.5h	2h	1.3h	30	138	50	30	1.0~17.0	10.0	DSM
Sigma^［11］	4th order Galerkin finite element	3.5h	2h	1.3h	30	138	50	30	1.0~17.0	10.0	Sigma

算例	求解器	亚格子模型
E	NSSolverStruct+LESSolverStruct	Sigma
F	NSSolverStructFD+LESSolverStruct	Sigma
G	NSSolverStructFD+LESSolverStruct	DSM
H	NSSolverUnstruct+LESSolverUnstruct	Sigma

算例	回流区长度/D
E、H	1.68
F、G	1.90
PIV^［45］	1.19
PIV^［46］	1.51
DNS^［47］	1.56
LES^［46］	1.56
LES^［48］	1.67

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