考虑网格非各向同性及自适应系数修正的减缓灰区DDES方法改进研究

The RANS-LES hybrid methods such as DES methods, have achieved some success in the simulations of massively separated or vortex breakdown flows around blunt bodies as cylinders and wings at high incidence, delta wings, backward-facing steps, cavities and buildings. However, the present DES methods exhibit “grey area” problems for slightly unsteady separation such as mild or moderate trailing-edge separation around airfoils, supersonic base flows and shallow backward-facing steps or cavities. The “grey area” may inhibit the instability and evolution of shear-layer, even postpone the separation and vortex breakdown. Previous studies show that improvement of the length scale of LES branch in the DES methods, for instance, taking account of the anisotropy of the computational grids and turbulent shear-layer, may be an effective manner to enhance the performance of DES methods. .In this project, the “grey area” of the DDES for slightly unsteady separation would be alleviated by introducing the correction of anisotropic grid and the self-adaption of the coefficient CDES. The new DDES model is expected to be suitable for unsteady massive separation as well as mild separation, and robust for separated flows around complex configurations in industry.

以DES类方法为代表的RANS-LES混合方法，在圆柱类钝体/机翼大迎角、三角翼涡破裂、后台阶/空腔、建筑尾迹等流动的模拟取得了一定的成功。然而，现有的DES类方法在模拟翼型尾缘中小分离、超音速底部、浅后台阶/空腔等非定常较弱的分离流动时，表现出RANS到LES转换延迟的“灰区”问题，抑制剪切层的失稳和发展，推迟流动的分离及涡的破裂。前人研究表明，改进DES类方法中LES分支的长度尺度，考虑计算网格的非各向同性及分离剪切湍流的各向异性，是改善DES方法的一条重要途径。.本项目拟以DDES方法为基础，引入网格非各向同性修正及基于相干结构函数自适应变化系数CDES，改善原方法在计算非定常较弱的分离流动时的“灰区”问题，发展既能较好的模拟非定常大分离问题，也能模拟好非定常较弱的中小分离问题，且高效、鲁棒的新DDES方法，更好的为工业领域中涉及的复杂外形的分离流动服务。

飞行器的大迎角，圆柱/起落架/返回舱等钝体绕流，空腔/弹舱/襟、缝翼舱，建筑物/舰船/导弹底部尾迹等主要表现为多尺度、宽频率非定常分离流动，导致飞行器失速、非定常载荷疲劳、抖振、气动噪声问题等。以DES类为代表的RANS-LES混合模型在大分离流动模拟中取得了较大成功，而对翼型尾缘中小分离、超音速底部、平面混合层/喷流、浅后台阶等流动，表现出RANS到LES转换延迟的“灰区”问题，在分离剪切层初期，过度模化涡粘性，抑制剪切层的演化及发展。本项目提出发展考虑非各向同性网格修正及基于相干涡结构函数的自适应尺度DDES-AL模型，以期提高对分离流动的模拟能力。主要开展以下研究工作：考虑非各向同性网格修正及基于相干结构函数的自适应尺度DDES-AL模型的构造及参数的标定，典型附着和分离流动的考核。经算例检验：DDES-AL模型在模拟NACA0021直机翼60度迎角大分离流动时，对展向网格尺度不敏感，即使在分离区网格长宽达到5的情况下，依然能准确预测涡脱落频率，时均升阻力系数、表面压力系数和升力系数的功率谱，相比DDES可减少网格消耗50%以上，大幅提升计算效率；对边界层鼓包流动，DDES模型抑制了剪切层的失稳，预测的回流区尺度偏大，延缓了剪切层速度型和雷诺应力的流向发展，而DDES-AL模型能够加速RANS到LES的转换，促进剪切层的失稳，预测与风洞实验基本一致的壁面压力、摩阻分布，分离区速度型和雷诺应力的流向演化。此外，发展了一种宽速域混合型对称超松弛点隐式时间推进方法，相比广泛应用的LU-SGS格式对宽速域（Ma=0.1-10）定常湍流可获得2-100倍的加速，对圆柱涡脱落等非定常分离流动，可获得3倍的加速，大幅提升了计算效率，为DDES-AL的工程应用进一步奠定了基础。该模型将在飞行器大迎角气动力、导弹底部阻力模拟，襟\缝翼气动噪声预测等问题研究中发挥重要作用。