一种结合壁面模型模拟湍流流动的间断界面浸入边界法

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27673

流体力学与飞行力学

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一种结合壁面模型模拟湍流流动的间断界面浸入边界法

张仕钊, 吴杰(), 杨德武, 丛歆雨

南京航空航天大学航空学院空气动力学系，南京 210016

收稿日期:2022-06-23 修回日期:2022-09-26 接受日期:2022-10-11 出版日期:2023-06-15 发布日期:2022-10-14
通讯作者: 吴杰 E-mail:wuj@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12072158);江苏省自然科学基金(BK20191271)

A sharp-interface immersed boundary method combined with wall model to simulate turbulent flow

Shizhao ZHANG, Jie WU(), Dewu YANG, Xinyu CONG

College of Aerodynamics，College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2022-06-23 Revised:2022-09-26 Accepted:2022-10-11 Online:2023-06-15 Published:2022-10-14
Contact: Jie WU E-mail:wuj@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12072158);Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20191271)

摘要/Abstract

摘要：

提出了一种具有鲁棒性的间断界面浸入边界法，用来模拟不可压湍流的物体绕流问题。开发了一种新的OpenFOAM求解器，该求解器结合了压力隐式分裂算法和k-ω SST湍流模型求解Navier-Stokes方程。为了减少对近壁面网格的要求，在实施边界条件时，采用壁面模型计算得到的壁面剪切力将速度和湍流变量修正联系起来。壁面切应力采用远离壁面的镜像点求得，镜像点上流场变量通过反距离线性插值由周围流场信息得到。使用该求解器模拟了平板绕流、NACA0012表面压强和切应力分布、Buice扩散管、圆柱绕流、方柱绕流5个湍流流动问题，本文数值模拟结果与文献结果有较好的一致性，验证了该方法模拟湍流流动的有效性和准确性。

关键词: 浸入边界法, 壁面模型, 间断界面, 湍流流动, OpenFOAM

Abstract:

A robust sharp-interface immersed boundary method is proposed to simulate the incompressible turbulence flow over a solid obstacle. Based on the OpenFOAM， the solver combines the implicit split operator algorithm with the $k ⁃ ω$ Shear Stress Transfer turbulence model to solve the velocity⁃pressure coupling in Navier⁃Stokes equations and the turbulent flow near the obstacle surface. The wall model is used to reduce the number of girds near the wall. The wall shear stress is obtained from the mirror point away from the wall， and the flow variables at image points are obtained using the surrounding flow field by Inverse Distance Weight （IDW）. To validate the efficiency and accuracy of this method for simulation of incompressible turbulence flow， five turbulent flow cases are considered as follows： flow over a flat plate， flow pass a NACA0012 airfoil， Buice 2D diffuser， flow around a circular cylinder， and flow around a square cylinder. The simulation results show good agreement with literature， validating the efficiency and accuracy of the method proposed.

Key words: immersed boundary method, wall model, sharp interface, turbulence flow, OpenFOAM

中图分类号:

V211.3

张仕钊, 吴杰, 杨德武, 丛歆雨. 一种结合壁面模型模拟湍流流动的间断界面浸入边界法[J]. 航空学报, 2023, 44(11): 127673-127673.

Shizhao ZHANG, Jie WU, Dewu YANG, Xinyu CONG. A sharp-interface immersed boundary method combined with wall model to simulate turbulent flow[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(11): 127673-127673.

图/表 20

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

表 1

圆柱绕流Re=63 100，126 000时的C¯D、C¯L、CL,rms、St

Re	方法	$C ¯ D$	$C ¯ L$	$C L, r m s$	St
63 100	当前结果	1.280 0	0.000 5	0.870 0	0.220 0
	Ye和Wan^［28］	1.115 7	0.005 3	0.828 5	0.238 5
	Yeon等^［29］	1.370 0	0.004 0	0.600 0	0.200 0
	Nguyen等^［30］	1.560 0	0.022 0	0.728 3	0.221 0
126 000	当前结果	1.105	0.003 0	0.735 0	0.246 0
	Ye和 Wan^［28］	1.010	0.006 0	0.791 0	0.240 0
	Yeon等^［29］	1.370	-0.045 0	0.620 0	0.200 0
	Schewe等^［31］	1.200		0.259 0	0.196 0

表 1

图 14

图 15

图 16

图 17

表 2

方柱绕流的C¯D、CL,rms、St

Re	方法	$C ¯ D$	$C L, r m s$	St
22 000	当前结果	2.160	1.520	0.138
	Trias等^［32］	2.180	1.710	0.132
	Sohankar等^［33］	2.270	1.460	0.132
	Nguyen等^［30］	2.100		0.130

表 2

图 18

参考文献 34

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