[发明专利]适用于高雷诺数大分离湍流流动的自适应湍流模拟方法

权利要求书

1.一种适用于高雷诺数大分离湍流流动的自适应湍流模拟方法，其特征在于，步骤如下：

1)定义分辨率控制函数；

2)通过湍流相干结构参数计算所述步骤1)中分辨率控制函数中的滤波尺度系数，从而得到滤波尺度，并进一步计算分辨率控制函数大小；

3)随着计算网格尺度变化，使所述步骤1)中分辨率控制函数进行自适应调整，来实现在非定常RANS模式、LES模式和DNS模式三者之间的自适应过渡；

4)基于所述分辨率控制函数，将Baseline k～ω湍流模型中的湍流粘性系数μ_t进行修改，以完成自适应湍流模拟；

所述步骤2)中的滤波尺度系数C_x的表达式为：

其中，max(a,b)为最大值函数；C₀＝2.0和C_lim＝0.1，二者均为模型常数；F_cs为相干结构函数，其表达式为：

其中，u_i,u_j分别表示x,y,z三个方向的速度分量，x_i,x_j分别表示x,y,z三个方向坐标，i,j＝1,2,3。

2.根据权利要求1所述的适用于高雷诺数大分离湍流流动的自适应湍流模拟方法，其特征在于，所述步骤1)分辨率控制函数F_r的表达式为：

其中，为最小值函数，exp(d)＝e^d为自然指数函数，n＝2和β＝0.002为模型常数，L_i，L_c和L_k分别为积分长度尺度，滤波尺度和Kolmogorov长度尺度，表达式分别为：

L_c＝C_x(Δ_xΔ_yΔ_z)^1/3

L_i＝k^3/2/(β^*kω)

L_k＝ν^3/4/(β^*kω)^1/4

其中，Δ_x,Δ_y,Δ_z分别为网格在x,y,z三个方向上的尺度大小，k为湍流动能，ω为湍流比耗散率，ν为分子运动粘性系数，β^*＝0.09为模型常数。

3.根据权利要求1所述的适用于高雷诺数大分离湍流流动的自适应湍流模拟方法，其特征在于，所述步骤3)中求解模式的自适应过渡具体为：

当分辨率控制函数F_r的大小趋近于1时，非定常RANS模式占据主导地位，大部分湍流是通过Baseline k～ω湍流模型模拟的；当分辨率控制函数F_r随着网格尺度的减小逐渐减小时，非定常RANS模式占比逐渐下降，DNS模式占比逐渐增加，此时恢复至LES模式，湍流通过Baseline k～ω湍流模型模拟的比重下降，直接求解的比重增加；当分辨率控制函数F_r趋于0时DNS模式占据主导，湍流全部被直接求解。

4.根据权利要求1所述的适用于高雷诺数大分离湍流流动的自适应湍流模拟方法，其特征在于，所述步骤4)中Baseline k～ω湍流模型中湍流粘性系数μ_t的表达式为：

μ_t＝ρk/ω

其中，ρ为流体密度，k为湍流动能，ω为湍流比耗散率；

对Baseline k～ω湍流模型中湍流粘性系数μ_t进行修改，修改后的湍流粘性系数μ_t^*表达式为：

μ_t^*＝F_rρk/ω

其中，F_r为分辨率控制函数，ρ为流体密度，k为湍流动能，ω为湍流比耗散率；

使用上述修改后的湍流粘性系数μ_t^*对高雷诺数大分离湍流流动进行数值模拟。