网络中心讲座2018-李新亮-Part3

高精度差分格式及湍流数值模拟（三）,李新亮中国科学院力学研究所,邮箱：lixl网盘：,Part3可压缩湍流DNS,背景OpenCFD软件简介典型可压缩湍流的直接数值模拟示例湍流模型的评估及改进湍流燃烧的DNS6.小结,湍射流的涡量分布：DNS,RANS,瞬时温度场,流动机理、流动控制,评估、改善湍流模型,一、背景,直接数值模拟（DNS）是研究湍流机理、模型及控制的重要手段,无需使用湍流模型：准确度高分辨湍流全部细节：精度高,无粘流/Euler方程,大型飞机整机流场/气动力计算,1980,势流、面元法,粘性NS方程(RANS)、定常,1990,非定常RANS/DES,2000,2010,LES,2045,DNS,2080,年代,Splart的预期,m;(10m),最小尺度涡：微米量级；中小尺度涡：0.1mm1mm量级,直接数值模拟：分辨出最小尺度涡；网格量极为巨大：计算量、存储量大,对高性能计算需求强烈,DNS对高性能计算需求强烈,二、高精度CFD软件OpenCFD,OpenCFD:作者开发的一套高精度、开放的CFD程序,1）OpenCFD-SC:高精度差分2）OpenCFD-EC:有限体积3）OpenCFD-Comb:化学反应计算,1）高精度有限差分求解器OpenCFD-SC,OpenCFDcodeforScientificComputing;面向科学计算开放的CFD代码,算法：高精度差分特点：精度高、适用于湍流DNS及LES等外形相对简单，但流场复杂,OpenCFD-SC的大规模测试及计算,OpenCFD程序异构并行移植及优化,GPU系统（天河-1号）,MIC系统（天河-2号）,国产众核系统（神威太湖之光）,2）多块结构网格有限体积程序OpenCFD-EC,面向工程计算开放的CFD代码(OpenCFDcodeforEngineeringComputing),算法：多块结构网格有限体积+RANS特点：适用于复杂外形工程计算,差分-有限体积混合方法,3）高精度化学反应模拟程序OpenCFD-Comb,面向化学反应的开放CFD程序：AnOpenCFDcodeforCombustion,Chemkin-like化学反应机理接口；Chemkin热力学模型、物理模型（粘性、热导、扩散系数）高精度差分方法：OMP6,GVC,WENO7高阶滤波，保证计算稳定性；MPI并行，可扩展到百万CPU规模；,高精度差分方法，适合于化学反应湍流高精度模拟,Mach6有攻角钝锥边界层湍流DNS,Mach0.7-6槽道湍流DNS,RAE2822超临界翼型三维绕流LES及DNS,压缩折角激波-边界层干扰DNS,Mach0.7-8平板边界层湍流DNS,三、典型可压缩湍流直接数值模拟示例,网格3.2亿,最大网格16亿,边界层湍流DNS,Ma=0.7,2.25,6扰动:二维不稳定波+一对三维斜波(自然转捩）壁面吹吸扰动(Bypass),计算模型：平板边界层,示例1：平板边界层湍流中的拟序结构,动画演示：平板边界层拟序结构的形成及演化,流场中涡结构的瞬时演化图（Q=10的等值面）,1）拟序结构的形成及演化规律,应用示例：平板边界层湍流中的拟序结构,发卡涡形成及发展的涡动力学机制,2）拟序结构与切应力、壁面摩擦阻力,雷诺瞬时切应力集中在拟序结构周围。新旧拟序结构干扰摩擦阻力剧烈增加。发卡涡导致局部高剪切诱发非线性Breakdown,瞬时雷诺切应力等值面,3)发卡涡头部脱落,发卡涡发生断裂，头部成为孤立自由涡。自由涡脱离主体，沿边界层外层向下游翻滚运动。边界层外层的间歇现象与自由涡的脱落有关。,Ma=6平板边界层：准流向涡而不是发卡涡,4)压缩性效应对拟序结构的影响,Ma=0.7（平板）Ma=0.7（尖锥）Ma=2.25（平板）,Ma=6（平板）,1）背景飞行器的常用头部外形；,头激波、熵层、横流；高Reynolds数、高Mach数；无成熟转捩（湍流）理论及模型；,转捩及湍流机理复杂；,DNS:研究该问题的有力手段尚无他人DNS报道,示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS,数值计算：自主开发的程序(OpenCFD-SC)直接数值模拟；高精度差分法对流项:7阶精度WENO;粘性项：8阶精度中心;时间项：3阶精度Runge-Kutta,2）计算参数及方法,示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS,3）计算结果验证a.不同网格之间的比较（网格收敛性）b.不同扰动形式的结果比较（模型正确性）d.与Horvath静风洞实验比较（与实验结果比较）c.与eN方法比较（与理论结果比较）e.与Stenson实验比较（与实验结果比较）,示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS,三维网格A1（4千万）A2（5千万）C（3.2亿）D（8千万）,最大网格数：3.2亿,计算的工况网格收敛性验证,摩阻分布多频扰动,摩阻分布随机扰动,并行测试加速比,转捩位置沿周向分布及其与理论、实验的比较,理论：eN（天津大学）实验：Horvathetal(AIAA-2002-2743)传统风洞；低湍流度风洞,与eN理论、NASA静风洞实验基本吻合,静风洞实验,示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS,背风面的瞬时密度分布(q=0),leeward,间歇性,4）瞬时流场,leeward,windward,背风面：胞格结构倍频转捩,迎风面：条纹结构基频转捩,近壁曲面上的流向速度分布,A.转捩过程中的T-S波,测点示意图,转捩发展过程中，检测到明显的Mack第2模态T-S波信号,Z=400处的压力扰动波vs.第2模态T-S波理论解,第2模态T-S波主导转捩,5)扰动波的发展与转捩,背风面的瞬时压力扰动(DNS),第2模态的扰动(LST),第2模态扰动波主导了转捩,有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS,B.背风面转捩早于迎风面的原因,背风面、迎风面压力扰动波的振幅,迎风面、背风面主导扰动波增长率接近；背风面扰动波增长得早（而不是增长得快），因而转捩早,有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS,C.非单调转捩线,锥身上的转捩线：非单调分布，22.5附近转捩推迟,第2模态扰动波的中性曲线,广义速度拐点分布,22.5附近速度广义拐点减弱；该处中性曲线变窄，扰动波发展受到限制；,有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS,6）转捩的攻角及壁温效应,锥体上的转捩线（锥面展开）：不同攻角、不同壁温,示例3：压缩折角DNS,背景：高超声速飞行器、激波-边界层干扰,PIV实验（易仕和）,DNS：中截面上的瞬时温度,特点：全区域计算（转捩+角区）,壁面平均压力分布角部分离区内的速度剖面,DNS结果与实验吻合理想，验证了结果的可靠性,瞬时壁面压力时间信号(虚线：瞬时信号；实线：滤波后的信号）,特点：双时间尺度特征明显,A.激波振荡的双频特征及低频机制,DMD分解,高频：剪切振荡机制,低频：分离泡“呼吸”机制,B.壁温效应对分离泡大小的影响,来流Mach数2.9不同壁温的压缩折角流动,角部区域的流动,角部区域时均流动的流线,随壁温升高，分离泡变大,分离泡大小随壁温变化规律,理论分析:,结合DNS，给出半经验公式,与DNS吻合较好（误差5%）,转捩效应对角部分离区的影响,转捩中期,转捩峰,转捩后期,转捩起始,充分发展,计算域设置图,转捩中期,转捩峰,转捩后期,充分发展,中截面的数值纹影（密度梯度）图,特点：来流为转捩中期阶段的流动时，分离泡最小；来流为充分发展湍流时，分离泡最大,近壁面流向速度分布图,case1,case2,case3,case4,case5,转捩早期：强三维结构,充分发展湍流：相对均匀,转捩早期，流动呈大尺度结构，流动抗分离能力强；转捩后期，流动破碎成小尺度结构，抗分离能力减弱,示例4：三维全翼LES,翼面及z=28.3%截面上瞬时密度分布,ONEAR-M6翼，Mach=0.8395,特点：三维全翼,三维全翼,Flow,ONEAR-M6三维翼上表面的涡结构,三维全翼,Flow,ONEAR-M6三维翼下表面的涡结构,流场中的拟序涡结构,光滑,条纹,Smoothingwall,Riblettedwall,示例5：条纹壁控制转捩,Mach3,6,湍流模型的评估与改进,后验评估,给定外形进行计算，与实验结果比对,先验评估,比RANS更精细、准确的计算结果(DNS/LES)作为“精确解”，验证模型,DNS给出,需要典型外形高分辨率湍流场,湍流模型是飞行器气动力热计算的关键之一,最新手段：基于湍流数据库的先验评估,四、基于DNS的湍流模型评估及改进,k-e模型：,1）标准k-e模型,2）“可实现的”k-e模型（realizablek-emodel）,ShiTHetal.ComputerFluids,1995,根据实验结果不是常数,3）低Reynolds数k-e模型,近壁区进行了修正，增大了湍流粘性系数,评估方法：使用DNS得到的湍动能k及湍能耗散率e及计算的模型公式,K-e模型的评估：湍流粘性系数及各模型的预测值,标准k-e模型预测值偏高,可实现的k-e模型、低Reynolds数k-e模型准确性较好,建议调整标准k-e模型中的系数Cm,减小该值,k-e模型评估：Mach2.25平板,SA模型：,近壁衰减函数,对流,扩散,耗散,生成,模型系数：,SA模型的评估:预测值与DNS值的对比,近壁区吻合较好；远离壁面区预测偏高,SA模型：Mach2.25平板,改进建议：外层采用间歇函数减弱湍流粘性系数,内层,外层,BL模型：,边界层=内层+外层,混合长模型+近壁衰减函数,尾迹模型（亏损律）,内层,外层：（间歇性）,边界层：内、外层示意图（Mach6平板密度分布）,混合长+衰减函数,亏损律+间歇函数,根据最大值点的位置判断内-外层交界处,BL模型的评估：模型预测值与DNS结果（Ma=2.25）,BL模型：Mach2.25平板,近壁预测值偏低外区外缘预测值偏高,改进建议：内-外区划分算法,内层模型,外层模型,五、超声速射流燃烧DNS,1.Xin-liangLi,YanLeng,Zhi-weiHe.OptimizedSixth-orderMonotonicity-PreservingSchemebyNonlinearSpectralAnalysisInternationalJournalforNumericalMethodsinFluids,2013;73:560572.J.Li,Z.Zhao,A.Kazakov,F.L.Dryer,Anupdatedecomprehensivekineticmodelofhydrogencombustion,Int.J.Chem.Kinet.36(2004)566575.,OMP6格式1（6阶优化保单调）9组分19反应模型2O，O2，H2,H2O,OH,H,HO2,H2O2,N2粘性系数、热传导系数、扩散系数采用Chemkin拟合公式计算网格670*459*459（1.4亿）时间步长10-8秒，每步5次化学反应推进；,55,计算条件射流速度：904m/s;射流温度：305K;射流组分：85%H2+15%N2伴流速度:20m/s伴流温度：1150K伴流组分：空气21%O2+79%N2,超声速射流燃烧DNS,结果验证,x/D=8及x/D=12处的平均速度剖面,1.LuShuqiang,FanJianren,LuoKun,High-fidelityresolutionofthecharacteristicstructuresofasupersonichydrogenjetflamewithheatedco-flowair,Int.J.HydrogenEnergy,37(4):3528-3539,2012,56,结果分析,1）流场可视化,层流扩散火焰,湍流火焰,57,动画演示：中截面处的温度分布,58,数值纹影图（contourof）,59,动画演示：数值纹影,超声速射流燃烧DNS,60,速度散度云图（近场声）,超声速射流燃烧DNS,61,超声速射流燃烧DNS,动画演示：速度散度,62,超声速射流燃烧DNS,动画：生成物H2O分布,动画：燃烧组分OH分布,63,超声速射流燃烧DNS,组分HO2分布（自点火相关组分）,H2+O2=HO2+H,64,流场中拟序涡分布（Q等值面，温度染色）,65,超声速射流燃烧DNS,动画演示：流场涡结构,66,ReactionON,ReactionOFF,流场中拟序涡分布（Q等值面，温度染色）,1）燃烧推迟转捩；2）燃烧涡尺度大；3）涡环形态不同,67,OpenCFD：本课题组开发的一套开源高精度CFD程序，包括三个求解器：,OpenCFD-SC:高精度差分求解器,OpenCFD-EC:多块结构网格有限体积求解器,OpenCFD-Comb:复杂化学反应流动求解器（差分）,傅德薰，马延文，李新亮等，可压缩湍流直接数值模拟，科学出版社XinliangLi,DexunFu,YanwenMaandXianLiang,Directnumericalsimulationofcompressibleturbulentflows.ActaMechanicaSinica2010,26(6):795-806XinliangLi,DexunFuandYanwenMa,Directnumericalsimulationofhypersonicboundarylayertransition