喷注噪声的数值模仿pdf_www.7004.com 

移动版

www.7004.com > www.927004.com >

喷注噪声的数值模仿pdf

  1.本坐不应用户上传的文档完整性,不预览、不比对内容而间接下载发生的问题本坐不予受理。

  工程大学硕士学位论文 has onthe moredistinctinfluencenoisethanthe of pressure change mediuⅡL The ofthe islessthan predictionhighfrequency spectrum tothelimitsofcalculationofthe and perfect,due abilitycomputer method. computational Keywords:aeroacoustics:jetnoise:numericalsimulation;largeeddy simulation;Ffowcs Williams—Hawkingsequation 工程大学 学位论文原创性声明 本人声明:本论文的所有工做,是正在导师的指点 下,由做者本人完成的。相关概念、方式、数据和文 献的援用已正在文中指出,并取参考文献相对应。除文中已 说明援用的内容外,本论文不包含任何其他小我或集体已 经公开辟表的做品。对本文的研究做出主要贡献的个 人和集体,均已正在文中以明白体例标明。本人完全认识到 本声明法令成果由本人承担。 做者(签字):整塑塞 日期:钟年弓月Io曰 工程大学硕士学位论文 第1章绪论 1.I选标题问题的及意义 气流噪声是一种经常碰见的噪声,汽锅和热机的排气放空,通风和风 动设备的管道,阀门和排气口,以及飞机、火箭等的噪声都属于此类。由 于其发声量大,如热电坐放空的噪声量可达150-160分贝,影响范畴达两 公里,不只严沉地风险人们的健康,并且还会使从动节制设备和活络的测 试仪器因“声委靡”而失效“1。因而,研究气流噪声的机理、特征,控制它 发声的纪律,并操纵这些纪律无效地节制它的发生,进而降低其对人们生 活、工做的干扰和风险,具有十分主要的意义。 I.2气动声学和计较气动声学的研究现状 19世纪中叶,英国科学家瑞利颁发了集典范声学之大成的不朽名 著‘声学道理》,该书总结了19世纪及前二三百年的大量声学研究, 开创了现代声学研究的先河。然而当人们试图注释树叶随风摇摆的沙沙声 响,风吹打电线后的动听的风鸣声时,发觉对诸如斯类流体发声的机理的 研究是十分的匮乏。曲到二次世界大和当前,跟着遍及注沉成长平易近航 工业的时候,降低航空策动机喷流噪声成了一个火急需要处理的课题,大 家才起头对气体流动噪声的机理进行越来越多的研究,随之构成了气动声 学这门学科。 气动声学是气体动力学和声学之间交叉性的分支学科,着沉研究流动 本身及流动取物体感化发生噪声的机理。气动声学理论上是以1957.年 Lighthill成立声学对比理论为降生标记,此理论将整个流场分为近场和远 场”。近场为声源区,包罗声能量源、声和流动的彼此感化(如声的散射、 输运、衰减等),正在这一区域,所有的流动参数认为是已知的。远场为声的 动声学对比理论大大地简化了气动声学的物理模子,可是其仅局限于 :l:程大学硕士学位论文 虑静止固体鸿沟的影响埘。1969年,Ffowcs 函数将Crule的成果扩展到正在考虑活动固体鸿沟影响环境下的物体正在流体 中活动发声问题,这就是Ffowcs 程)咖。然而,Crule方程和冈一H方程均假设声源的介质是静止的。 声问题进行了研究,并获得遍及合用的广义Lighthill方程“1。这些典范的 究奠基了根本。 取流体力学一样,理论阐发、尝试研究和数值模仿是研究气动噪声基 本道理的三种手段。保守的气动声学的研究次要以理论阐发和尝试研究为 从,但跟着计较手艺的飞速成长和高速计较机的呈现,采用数值手艺来模 拟气动声学问题变得可行。计较气动声学(ComputationalAeroacoustics, Fluid 和计较流体力学(Computational 交叉学科,计较气动声学自80年代中期起头逐渐兴起,正在90年代成为气 动声学的研究热点,现在曾经成为工程使用的主要研究手段,其根基思 来预测流场和声场;(2)CAA是一门取计较流体力学(cFD)相关的学科; 法的设想用来切确捕获非定常流和辐射特征,时间和空间差分格局凡是具 有四阶或六阶精度…. 1。3喷注噪声的研究现状 最后对喷注噪声的次要研究目标就是降低航空策动机及飞机全体的噪 声,但受制于对湍流的理解取研究,研究方式以尝试为次要手段,正在颠末 几十年的堆集后,曾经成立起比力完整的尝试理论和大量的尝试纪律。 我国粹者马大猷等人从70年代起头到90年代初,操纵尝试取理论相 2 :亡程大学硕士学位论文 连系的方式,对喷注噪声特别是小孔喷注噪声进行了细致的研究,获得一 些经验公式及结论。这些公式及结论对工程设想具有很强的指点意义卧“町。 可是,尝试研究成本高,周期长,费时吃力,受客不雅前提较多, 并且不克不及供给完整的物理消息,跟着计较手艺的成长和高速计较机的呈现, 人们逐步将数值模仿做为次要研究方式并辅以尝试。取尝试研究比拟,数 值模仿可以或许供给研究人员所需的各项数据,并且能降低尝试研究成本,为 尝试供给最优的尝试方案,从久远成长来看,对湍流素质的研究也离不开 数值模仿。现正在,CAA曾经成为研究气动声学的次要方式。 CAA是借帮数值方式求解流体力学方程(N-S方程),进而预测流场和 声场,因为声波的频谱分布十分普遍,为了精确预测声场,对流场的数值 模仿就要尽可能的接近实正在环境,目前可以或许满脚该要求的只要间接数值模 Numerical 拟(Direct Eddy 得的总声压级取不异前提下尝试的结论相符。Freund还正在2001年用两千五 成功使人们看到了DNS用于处理喷注噪声的夸姣前景,可是因为DNS要求 有很高的时间和空间分辩率,现实中只能模仿低Re和简单的几何布局,还 不克不及满脚现实工程上的使用。 DNS对计较机硬件的高要求,使其无法正在工程现实中进行使用,为领会 决这个问题,人们对湍流提出了各类模子,从而使湍流计较大为简化,这 些模子统称为雷诺应力模子(ReynoldsAveraged 接计较大标准的脉动,而对小标准的脉动做模式。前半部门取DNs类似, 后半部门取RANS类似.取DNS比拟,LES的计较要求要小良多,以现有的 计较机前提,是能够进行简单的工程计较。 因为喷注噪声本身布局的多标准,非稳态,LES是仅次于DNS的最好的 计较模子。虽然RANS也有过计较喷注噪声的记实,可是因其模子本身对湍 3 工程大学硕士学位论文 流标准的捕获能力取声学的多标准特点有必然的差距,除了成长新的湍流 模子或者对现有的湍流模子进行弥补,不然用PANS进行声场的预测是不合 适的。 目前正在喷注噪声研究中,普遍接管的一个概念就是流动发生的低频声 来历于湍流的大标准脉动而且取喷管的曲径相关,同时还受喷口的几何形 状影响,而高频声则来历于湍流中小标准的脉动。用LES来预测能很好的 计较低频和一部门高频的噪声,为了获得更好的高频噪声,就要对亚格子 应力模子进行详尽的研究,这方面的工做正在文献“钉-乜”里有细致的涉及。 最先把LES使用于喷注嗓声预测的是§lankbadi等人∞1,他们建立一种 Ma的前提下,跟着计较机的成长,人们逐渐起头进行高Re,高Ma的喷注 同进口前提下的喷注噪声,正在后继的文章中他们还阐发了基于Smagorinsky 的亚格子应力涡粘性对喷注噪声的影响,他们指出,对喷注噪声的高频部 喷注噪声使用LES模仿最成功的。 总之,从现有文献来看,LES使用正在喷注噪声预测是最有成长潜力的, 并且最接近工程使用。虽然目前LES还不克不及很好的预测高频声,由于正在求 解湍流小标准脉动上贫乏好的亚格子应力噪声模子,可是从曾经成功的LES 看,其对高Re下的模仿已接近现实工程环境,并且其对阐发喷注噪声的频 谱特征以及理解噪声的发声机理都有很好的帮帮。 4 工程大学硕士学位论文 1.4课题的提出及本文的次要研究内容 保守的气动声学的研究均是正在理论及尝试的根本上成长起来的,研究 周期长,成本高,受及尝试前提多。跟着计较机计较能力的成长 和新的计较方式的提出,气动声学的研究逐步向数值模仿挨近,现正在计较 气动声学已成为气动声学研究范畴内一个热点的分支。 本文将操纵已知的计较流体力学方式,连系保守的气动声学阐发方式, 对圆形喷口豹湍流射流的辐射噪声进行数值模仿。次要的内容为以下几个 方面: 1.按照流体力学及计较方式的相关学问,推导大涡模仿的节制方程, 并对方程进行离散,将计较域划分成适合计较的网格。 2.连系计较流体力学软件FLUENT,计较圆湍射流的流场特点,包罗稳 态及非稳态及分歧鸿沟前提的各自特点。以此确定出射流的次要发声区域. 3.给动声学的次要理论计较方式,阐发每种方式的优错误谬误,从而 选择一种合适的声学计较方式,进而正在计较流体力学的计较成果根本上, 求得圆湍射流的喷注噪声。 4.对计较声学所得的成果进行阐发,从而领会喷注噪声的根基特点, 为进一步研究流动噪声供给根据。 5 f’稗人学硕十学付论文 ■‘i曹iiiiiiiiiiii≮i Iiiiiiii■i■—■■—■————皇■宣■畸鼍一 第2章数值模仿方式 对喷注噪声的数值模仿分为两个部门,一部门是对流场的模仿,另一 部门是根掘流场的模仿成果进行声场的预测。此中对流场的计较有着主要 的意义,流场模仿的精确程度宣接影响到声场的预测。为了更好的预测声 场,先对流场的根基布局进行模仿,从而获得流场的全体特征,并为当前 声场的预测中声源面的拔取供给参考。 本章次要引见论文中模仿流场合利用的基予质量加权的尺度膏一£模子 及LES方式,同时还会对所采用的网格生成手艺及方程离散方式给出详尽 申明。 2.1节制方程 基于本文次要研究气体喷打针流问题,能够将其视为可压粘性流动, 忽略质量力,对热完全气体和量热完全气体有如下节制方程: 旦:Rr (2一1) p (2—2) s=cvIn了P+comt p 口2勺丁5两l石p (2—3) 式中P为气体压力;P为气体密度;T为气体温度:s暗示熵;c。为定容比 热;P表单元质量的内能。守恒型质量、动量和能量微分方程为 (2.6) 昙(棚+V恤E)=V.[(一pI+r同山弓 6 此中,l=(瓯)为单元张量:1(Te)为粘性应力张量,对于牛顿流体有: 勺=一;∥鼍磊+∥(考+玺] cz棚 以上即为操纵Boussinesq涡粘性假设,忽略质量力的可压缩粘性气体 定律.则有 而E=口十去;·;为单元质量流体的总能量,P为单元质量流体的内能。 以上参数中的粘性系数且是随温度T的变化而变化的,其取值操纵工程 上常用的苏七兰(Sutherland)公式获得: 协9, 鳓 r+t 警=(三r2精L瓦J 2.2湍流模子综述 湍流流动是工程手艺范畴取天然界中常见的流动现象,它是一种高度 复杂的三维非稳念、带扭转的犯警则流动,湍流中流体的各类物理参数, 如速度,压力、温度等都随时『日J空『日J发生随机的变化…1。 从物理布局上说,能够把湍流当作是由各类分歧标准的涡旋叠合而成 的流动,这些涡旋的大小及扭转轴的标的目的分布是随机的。大标准的涡旋从 要出流动的鸿沟前提所决定,其尺寸能够取流场的大小比拟拟,是惹起低 频脉动的缘由;小标准的涡旋次要是由粘性力所决定的,其尺寸可能只要 流场标准的千分之~的量绂.是惹起高频脉动的缘由脚’。大标准的涡旋破 裂后构成小标准的涡旋,较小尺寸的涡旋分裂后构成更小标准的涡旋。因 而正在充实成长的紊流区域内,流体涡旋的尺寸可正在相当宽的范畴内持续的 变化,大标准的涡旋不竭地从支流获得能量,通过涡旋间的彼此感化,能 量逐步向小尺寸的涡旋传送,最初因为流体粘性的感化。小标准的涡旋不 7 I稗人导’硕十学付论文 断消逝,机械能就为流体的热能。同时,因为鸿沟的感化、扰动及速 度梯度的感化.新的涡旋又不竭发生,这就形成了湍流活动脚】。因为流体 内分歧标准涡旋的随机活动形成了湍流的一个主要特点:物理量的脉动, 流的瞬时活动仍然是合用的。此次要是由于湍流的活动满脚持续性假设, 虽然湍流是由各类标准的涡旋惹起的无序的随机的流动。可是正在脚够小的 标准上湍流属于法则的有序流动,其活动纪律是满脚流体力学的根基方程 的,然而,这种对湍流最底子的模仿方式正在现实中确是难以实现的,因为 湍流是一种布局多标准问题的非不变布局,为模仿湍流活动,则求解域的 标准至多该当有大涡的标准,而离散网格的标准取小涡的标准有不异的量 级。按照Kolmogrov的微不雅标准理论,网格标准要小于 ,=y3/4 glt4三£Rc产fRe寸∞1, 旋标准从,到£的全数涡旋做数值模仿,这对于现实中的大大都问题,是目 前计较机容量及速度上难以处理的。因而,工程上常用的方式是求解平均 ~个平均量取一个脉动量的和。所谓的湍流模仿.就是间接计较平均值, 而脉动量对平均量的影响通过一些简单的模子进行近似的模仿,这些简单 模子就成为“湍流模子”或叫“湍流模式”。湍流模仿的根基点是将湍流特 征量用统计值来暗示,操纵某些模仿假设从而使方程封锁,这是由于工程 中感乐趣的往往是时均速度场、温度场、湍流脉动时均特征等,并不需要 晓得湍流发生及成长的细节。 虽然湍流流动十分复杂,所有物理量均为时间、空间的随机变量,但 是它仍遵照持续介质的一般活动纪律,其瞬时值仍满脚物体的活动方程, 本方程中任一瞬时量均可用某一种平均方式将其分化为平均量和脉动量。 常用的平均方式有两种:时『日】平均法(也叫雷诺平均)和质量加权平 均(即Favre平均)。对于密度交化不大的流场,例如不成压缩流场。可忽 略密度变化,故常用时日J平均法:对于密度变化较大的流场,例如可压缩 l稃人学硕十学位论文 流场,密度脉动/fi能简单忽略,然而因为考虑了密度变化的方程再采用时 问平均会使方程中呈现很多密度脉动的二阶和三阶相关量,不克不及满脚凡是 所用流线概念下的质量守恒道理,使方程形式变得比力复杂,而按照Favre (1969)提出的质量加权平均,能够避免密度相关量的呈现,从而使方程 ’ 能满脚持续方程沿流线的守恒形式。 喷打针流属于可压流动,密度变化范畴大,因而本文中采用Favre平 均(质量加权平均)。J现实上Favre平均就是对瞬时压力和密度仍采用时间 平均,对其他变量都利用质量加权平均。先给出雷诺平均的定义: (妒=土f妒(x,t+t’p’at ’ 02’ 这罩△,为某时I’日J周期,取速度的脉动周期比拟脚够大,取流动的宏不雅时间 标准比拟脚够小。正在尝试数掘处置中,△,的切当拔取很主要,但正在湍流模 型中~并不呈现,所以没有需要去正在意它的拔取。再定义质量加权平均为 多=锷。 了精练,去掉平均号“一,()”以获得取原方程不异的形式),获得如下的形 式: 望+v.(∥1=0 (2一lO) 、。7 0t 。 旦:R丁 (2—13) p 由质量加权平均后的节制方程来看,方程变得不再封锁了,这是由于 方程中多了一个新的未知项B。是因为湍流脉动而形成的应力,称之为雷 诺(Reynoids)应力,口=(色),这就需要弥补关系使方程封锁。 9 l拌人学硕十学协论文 利蠲Boussinesq(1877)傍照活动壤论假设, viscosity)系数,也叫湍流糙性系数,岛分 式中,延是漏旋粘性(eddy 子粘骰尉分歧,它怒空『日j坐标的函数,取决予流动形态丽币是物住雾敲。 ≈=吾《材^:)为单元质量流体湍流脉动动能·定义一个只,它是脉动速发所 (2-12)艘理获得, ’ (2—15) 、’7 警+审协印 鑫 旦:Rr (2一18) p 正在式审,如爰自P秽嫠錾残匏一令毒效莲_宓, %=p+只=p+-;pk (2~19) 另羚,对式中豹■--(foL:: c。喇, (气b=一詈(∥+“)鼍毛+(∥+肼《考+警] 霾踅,魏栗蠲鸯效旗经系数鳓。声+鳆寒我入簿, (q)醴=一詈%警毛+衔(毒+警]cz谢, l+程人学硕十学位论文 式。 由丽述可知.因为湍流应力的呈现,节制方程组(2一15)、(2—16)、 独一的参数是涡粘性系数,因而湍流应力的模化成了涡旋粘性系数“,即 计较湍流流动的环节是若何确定“。所谓湍流模子,正在这里就是指把一取 湍流时均参数联系起来的关系式。湍流模子的品种有良多种,根据确定“的 微分方程数目标几多,工程上常用的有零方程模子或称代数方程、一方程 模子、两方程模子。 正在零方程模子或一方程模子中,有一个取具体的流动形态相关的参数, 即湍流长度标准。而正在复杂的流动中,很难选择出恰当的长度标准来,只 能由经验柬确定,因而了这两个模子的利用范畴。 2.3尺度k-s模子 的对一方程模子的改良““。其根基假设是: ”C。p% 它相当于假设湍流标准k=七w居。t=三(M’“。’)为湍动能,反映特征速 度“=∥(筹誓)为湍流的粘性耗散率,反映特征长度标准。这里舭和 占同时看{乍因变量,出各自的微分方程决定,量方程和£方程为 cz—zz, p罢=毒[(p+等)差]+q+G一胪一‰ cz—z。, 户等=丢[(∥+等)毒]+q《eG+G。G,一G,p等 上式中,q为基于浮力的湍流生成项,忽略沉力影响,G为零。公式(2—22) 和(2-23)成为 户尝=暑[(∥十鲁)嚣]+q一∥一珞 c2啪, 给25, p尝;毒[(∥+丝o-.1j蚓缸,j+气妻q—Q,p等 式中,GI为基于平均速度梯度的湍流生成项,有 q=-P(uiu:7)鲁 若取Boussinesq假设相分歧,则 q=段s2 正在这里,Ilsl.(2s:D2为平均应变率张量的模,平均应变率张量的定义为: &=丢(篝+刳 Sarkar模仿可压缩湍流脉动膨缩对总体耗散率贡献的表达式为 匕=2刎 ^f为湍流马赫数,定义为 Mt=霈 的湍流普朗特数吒和吒的值别离为 这些默认值是通过对水和空气的根本剪切流(包罗平均剪切流和衰减 等标的目的栅格湍流)尝试获得的。这套已成功的使用于很多问题,如边 工程大学硕士学位论文 界层型流动、管内流动、剪切流动和有回流的流动问题。这个模子稳 定、简单、经济,而且正在较大的范畴内具有脚够的精度。 2.4大涡模仿 上述的各类湍流模子方式虽然取得了很大的进展,但各类封锁的方式 都仍正在分歧程度上带有经验的成分,所用系数往往需要因流动而异,至今 没无形成合用于各类流动的通用模子。现正在一种有但愿能实现这一方针的 方式就是大涡模仿。其根基思惟是,用数值方式计较三维的时间相关的 子涡旋采用较凡是模子去模仿他们。尝试指出,湍流流动是由分歧标准的 涡旋构成的,大标准的涡旋对湍流能量和雷诺应力的发生以及各类量的团 里扩散起次要感化。团里的大标准布局强烈的依赖于鸿沟前提,它取流动 的特征相关故而没有通用的模仿方式。湍流的小标准涡的次要本能机能是对耗 散起感化,正在高雷诺数下小涡近似于平均各向同性,受鸿沟前提的影响较 小,有较大的配合性,能够使用一般的模仿方式,以目前计较机成长的水 平来看,还难以计较到耗散标准,但却能够小到惯性区标准。因而,“大涡 计较,小涡模仿”的这一新路子逐渐成长成为一种无效的高级模仿方式。 2.4.1滤波函数 正在湍流的大涡模仿中,函数,(毛f)可分化为过滤(大标准)分量7和 偏离(亚格子)分量,’,即 ,=厂+厂 (2—26) 此中过滤分量定义为以滤波函数为核函数的全流场积分 Dlq 此中q是坐标五标的目的的滤波函数;At是向的滤波宽度,它近似取而方 哈尔溟I‘样入学硕}=宁何论文 向的网格步长鸟成反比(△,=确,n1)。特征滤波宽度的最佳值△。应取为 A.=2(JI.吃鸭)怕 但正在亚格子模仿时,特征滤波宽度取为 △=(^。也吩)们 (2—28) 滤波暗示以滤波宽度△,为边长的体积上的函数,的加权平均;滤波甬数的 感化正在于滤掉数波而只留低波数波,并仍连结能量级联过程,即答应 能量从大涡向小涡传送。明显,网格步长和所选用的滤波函数对反映大尺 度分量和亚格子分量的流场布局有极其主要的影响。 常用的滤波函数是Gauss滤波,矩形滤波(box 锐截断滤波。 Gauss滤波定义为 , ∽z9, 嘶删=(封exp[一言”∥] 变宽度矩形滤波定义为 酏删=黔差梨蚰√2 ∞s。, 锐截断滤波正在物理空问定义为 (2—31) Gl(置,只;△;)=2siIl[石(t一只)/△。]/[万(t一只)] 正在Fourier空问定义为 讯)=悟豁 滤波宽度相关,吒=衫△,。锐截滤波的感化相当于按照给定的无限点的函 数值用Fourier级数展开函数。 14 晗尔浜f.程人宁硕十’≯位论文 △.=△=h,则有, f f ,,(乃,儿,乃,f)奶砒c弧 7(五,恐,毛,f)=万1 “r-I一埘2h^{21l-t,/2 这丁F是操纵“体积均衡”处置的求解变量7的表达式,7是网格单位体积 的平均值,他仅仅是网格节点“,屯,而)的函数。 过滤分量7取时『自j平均值(厂)有素质的分歧。对于统计定常的流动,时 问平均值是定常的,它抹平了所有的脉动:而滤波后的过滤分量则定 常的,它仍包含大量的脉动。若滤波宽度取得脚够小,则过滤分量仍保留 全数脉动。 2.4.2节制方程组和亚格子模子 别离对公式(2-4)、(2-5)、(2-6)进行滤波,并以张量形式暗示。 持续性方程: a 苏、’’, 动量方程: (z.。s) 昙(鬲)+考(万瓦)=毒(吨瓦+f) 此中r=(勺)为粘性应力张量,定义取(2—7)式不异;且 面=(-+奶R+巧)=瓦焉万面F弼 项,三项总记为吒·过滤后的动量方程是 (z啦) 昙(瓦)+毒(;石+两)2考(鸣i+f) 乃=%哟-u,uj称为亚格子应力,从上式中能够看出来,恰是因为该项 使方程不封锁。和雷诺应力相仿,亚格子应力是过滤掉的小标准脉动和可 解标准湍流间的动量输运.为实现大涡数值模仿,需要构制亚格子应力的 封锁模式。凡是利用如下的Smagorinsky涡粘系数模子, 吩一专%磊=-2v,su (2—35) 巧=牾翻 cz-36, 式中匕是亚格子涡粘系数;岛是过滤变形张量;q是Smagorinsky, 一般取c,=O.1-0.2;DJ是近壁面衰减因子,能够写做 砬=1一麟p(一广/一+) 式中,y+是距离纲参数,∥是半经验,取26.0。 论上可导出c.=0.2—0.3㈣,可是受数值扩散对物理上亚格子粘性的影响, 细致致的会商㈨。湍流中亚格子活动由涡粘系数模子(2-35)来描述,正在近壁 则乞=毛/△。正在平均各向同性湍流中,取cJ=o.23,速度场和动能衰减 的数值模仿取尝试成果和理论预测吻合较好。较大的q(*o.2),湍流模仿能 16 给出滑腻变化的空间布局,可是q过上将会发生大标准活动的衰减以至制 成计较失败。正在具有热传导的湍流流动、建建物绕流、渠道流和附面层湍 流中,使用LES方式时取cJ=0.I给出极好的计较成果,取持续解的误差很 小。 能量方程; 对能量方程的过滤取动量方程的过滤相雷同,所分歧的是,这此中引 入一些近似,次要是脉动耦合量的忽略,而这些近似颠末DNS的验证根基 上是合理的。 . 将过滤后的动量方程(2-34)进行变化,方程两头同时乘以鸭,则动量方 程(2-34)能够写成下面的形式, 一I 街 缸。 ‘I缸,9缸f、’I (2-6)式中的单元质量流体的总能量能够暗示为 昱=等I+12魄‰,,一 ‘‘ 则,不考虑动能的过滤后的能量方程为 砉《等+等l一鼍一蕃毋磊+蕃r ∞s∞ q 钙奶“9奶 ,一lI西 J 将式(2-38)、(2-39)相加,归并同类项,并操纵如下的两个假设: 警岛磊=吾硝,百Oujr=鼍f 蔷岛磊2茜鳓磊’瓦r=蔷r 有, 方程。 17 r:秤人学硕十学位论文 2.5网格生成及离散方式 网格划分即网格生成手艺是计较流体力学(CFD)成长的一个主要分支, 它是跟着数值计较方式和计较机手艺的成长而成长起来的,它正在数值计较 中拥有主要的地位。现实上。流动问题数值计较成果的最终精度及计较过 程的效率。次要取决于所生成的网格取所采用的算法。 点四周毗连的节点数目都是不异的,并取计较机言语天然婚配,便于矩阵 计较取操做。正在布局化网格中经常利用的一品种型是块布局化网格 方式。当计较区域比力复杂时,利用单一规格的布局网格很难划分好不规 则的计较区域。这时可按照整个计较区域的外形,划分为若干个子区域, 正在每个区域中的生成适合其外形的布局化网格,然后将各个子区域网 格毗连起来。按其正在毗连处毗连体例的分歧大致可分为两品种型:拼接式 网格(Patched grid)和搭接式网格(Overlappinggrid),前者正在块取块 的交代处是不堆叠的,后者则有部门的堆叠汹】。 取布局化网格分歧,非布局化网格是另一类型的计较网格。它对网格 的节点没有布局性的.其节点和单位分匆是肆意的,因而这种网格可 以用于划分肆意的几何外形,同时它的随机的数据布局有益于进行网格自 顺应,生成的网格质量高,可较好的处置复杂鸿沟问题,因而非布局化网 格越来越遭到人们的注沉。 非布局化网格的划分思惟基于以下的假设:四面体是三维空间最简单 的外形,任何空删区域都能够被四面体单位所填满,即任何空间都能够被 以四面体为单位的网格所划分。所谓的非布局化就是正在这种网格系统中节 点的编号定名没有同一的,是随便的,并且每一个节点取四周的毗连 点的个数是不定的。生成非布局网格的方式次要有两大类:一种为前沿推 front 进法(Advancingmethod)。前沿推进法是网格和节点同时生成,它 从鸿沟上的网格点所构成的一系列线段(前沿)出发,一一取区域内部的 点构成三角元,所构成的三角元的新的边插手到前沿的行列,而生成该三 18 工程大学硕士学位论文 角元的本来的线段(前沿)则畴前沿行列中从动消去,如斯不竭的向区域 内部推进,最终使得前沿的行列为空,则所生成的三角元笼盖整个计较域: 另一种方式是Delaunay三角形化方式,该方式是基于计较几何学的严密规 则之上,正在20世纪的80-90年代获得敏捷的成长,目前己成为生成非布局 网格的次要方式。利用Delaunay三角形化方式生成的网格有可能某些网格 单位位于区域外或者取鸿沟订交,使流场鸿沟的完整性遭到,可是这 种方式生成的网格单位质量高,并且网格生成效率也相对较高…。本文利用 的非布局网格均是用该方式从动生成的。 对于大大都的物理问题,过程的节制方程是一组偏微分方程,为了正在 计较机长进行计较,需要将这组微分方程为颠末网格划分的计较域中 的每一个节点上的代数方程组,这个方程组中包含有该节点及临近节点上 所求的函数值,这个方程就是离散方程。成立离散方程的方式有良多,本 Volume 文选用的是无限体积法(Finite Method,简称FⅧ)。无限体积法 从描写流动问题的守恒型节制方程出发,正在计较域离散后构成的节制容积 上做积分,正在积分的过程中,对界面上被求函数的本身(对畅通量)及它 的一阶导数(扩散通量)的变化做出假设,从而完成积分,得出节点上物 理量间的代数方程式。 正在考虑节制方程离散之前,先成立一种对各根基节制方程均通用的形 式,用≯暗示通用变量,前述节制方程都能够暗示成以下的通用格局: 掣+V.(训=V.(r移蒯力+s(2_41) 式中各项顺次为瞬态项、对流项、扩散项和源项·对特定的方程矿、0和S 具有特定的形式,表2.1给出了三个符号取各特定方程的对应关系。 l‘稃人学硕十学位论文 表2,l通用节制方程中各符号的具体形式 \矽等 ≯ L 墨 方程、\ 持续方程 l O O 一—at—,+S 动量方程 Ⅳ- ∥ 敏 ‘ A 能量方程 r _一 辞 % 对于节制方程的离散,考虑的通用方程(2—41),则会很容易的说 明用无限体积法柬离敢节制方程的过程。 肆意节制体V上的积分型方程为 (f却二·dj=叮r,V一·癫+一d矿 (2—42) 将上式使用于计较域中的肆意一个节制体积,可得; 兰J(P劾一r.v妒).厕:f ,“Aj ‰ 这举,.,为节制体积中界面的角标,Ⅳ’为节制体积的概况数,由式(2—43)可 以看出,要想由此获得关于节点B处变量妒的代数方程,环节是将界面上的 对流项和扩散项的积分成果暗示成最及取B相邻的节点上声之值。 方程(e-42)使用于计较域中的每一个节制体积单位,其离散形式为 ” 科 ∑(,,办4=∑F,(V妒L4+Sy (2—44) S , 这罪,以是通过概况.厂单元面积对流的声值,q是概况,上的密流,4是 概况f的面积, (re)。是概况厂法向上的V庐值,矿是节制体积的体积· 出离散方程求解流场消息的算法有两大类:一类是格心法,即数值解 I:群人学硕十学付论文 I誓—_ 定义正在网格单尢的核心;另一类是格点法,即数值解定义正在网格节点(网 格单位角点)。本文采用的是格心法,即把标量矿正在单位核心即节制体积中 心的值做为存储值。方程(2-44)概况的妒,是对流项,它是以各个节制单位 体积的核心值,通过内插体例获得的,一般采用顶风格局。所谓“顶风” 指计较表厩庐,值源于上逛节制体积的值,或者说它“上风”,这是相对于法 向速度l,。的方历来说的。而扩散项则一般都采器具有二阶精度的核心差分 格局,这种差分格局是比力成熟的。对方程(2—44)进行线性化处置,可得 到只单位的下述离散方程形式: ‰ II 口 + (2-45) 丸,q 砟 毛 。∑川 式中,Ⅳ暗示取R相邻的单位个数,它取网格划分体例相关,ao和口,别离 暗示≯.和办的线性化系数。 ’●’ J Method 常用的格默算法是压力耦合方程的半现式方式(Semi—Implicit for Pressure-Linked 过每个单位面一卜的对畅通流量是按照所谓“猜铡”值来估算的。起首利用 一个猜测的压力场来求解动量方程,获得速度场,接着求解通过持续方程 所成立的压力修证方程,获得压力场的批改值,修币的准绳是:取批改后 的压力场相对应的速度场能满脚这~迭代条理上的持续方程,然后用压力 修证值更新速度场和压力场,反复该过程。为了启动该迭代过程,需要提 供初始的、带有猜测性质的压力场和速度场。跟着迭代的进行,这些猜测 的压力场和速度场不竭的改善,所得的压力和速度分量逐步接近线本章小结 本章以流体力学的N-S方程为根本,颠末质量加权平均后,获得未封 闭的节制方程组,操纵Boussinesq涡粘性假设,引入未知涡粘性系数,使 2I I_群人学硕十学侍论文 节制方程封锁,根掘所求未知粘性系数方程数目,确定了多种湍流模子, 着沉引见了常用的湍流模子,尺度k—s湍流模子。引见了大涡模仿的根基 思惟,并推导出大涡模仿的节制方程。最初引见了计较流体力学中网格生 成的方式取生成网格的类型,及对节制方程离散的形式。 I‘群人学硕十学付论文 第3章圆湍射流的数值模仿 射流噪声是因为气体的流动的非不变过程,或者说是气体的扰动、气 体取物体的彼此感化而发生的,素质就是气体流动扰动四周静止介质,正在 扰动过程中,涡的发生、成长及消逝是射流噪声的次要能量来历””。因而, 对射流流动布局的研究,阐发速度、涡量等物理参数的变化特征,是切磋 射流噪声发生的根本。本章次要操纵CFD的理论,研究亚音速前提下,喷 口为圆形的湍流射流。并阐发圆1:3湍流射流的根基特点,切磋分歧入口条 件对射流布局的影响。 3.I射流的构成 如图3.I(a)所示,具有同向或逆向的两股流动,正在原点0处构成切 向间断,沿1sj断面成长成为射流活动,当射流速度不太大时,正在相邻射流 流股『目J,发生fT日j的动量互换,热量互换或质量互换;从而构成具有一 定厚度的射流鸿沟层“”。 当流动速度增大,从而雷诺数添加而且跨越某一临界值时,则上述切 向触断面不不变,正在该触断西大将呈现涡旋,这些涡旋正在流动中遍地做不 法则的活动。由此发生微团问的横向动量互换,热量互换或质量互换;从 而构成湍流射流鸿沟层。上述临界雷诺数的数值取来流的扰动环境相关; 一般来说,大都是湍流景象。 射流流动布局能够分为初始段,包罗射流鸿沟层夹杂区CAB取焦点区 cAc:过渡段,区问BDDB内的部门;从段,肋截面当前的射流部门。为了简 单起见,正在相当精确的程度内.能够忽略不太长的过渡段,从而过渡段BDDB 为过渡截面BAB,进而能够将射流布局简化成图3.1(b)所示。 初始段 过菠段i 从段 Ciu ,,?_o/ i—孑夕 : ^ l l 一 I (i ≤≥毫::产—木 (a) C ./// c~~~\. 矗 图3.1射流流动布局简图 3.2射流的稳态数值模仿 以上对射流的描述只是粗略的论述了射流的流动现象,为了对射流内 部有更细致的领会,需要进行数值模仿或尝试。这罩受现实前提的, 只进行数值模仿的研究,数值模仿利用的软件是FLUENT· 射流

  请盲目恪守互联网相关的政策律例,严禁发布、、的言论。用户名:验证码:匿名?颁发评论

(责任编辑:admin)