Scaling law and a new LES wall-model for adverse-pressure-gradient turbulent boundary layer flow

逆压梯度湍流边界层流的标度律和新的 LES 壁模型

基本信息

批准号：
21K03876
负责人：
関本敦
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Okayama University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

曲面や角を有する複雑形状周りの数値シミュレーションの精度向上は,航空機やタービン翼などの流体機械の性能向上につながるため工学的に重要な課題である．既存の乱流モデルは剥離点近傍での予測精度が大きく低下する問題があり,曲面や複雑形状へ適応可能なモデルは未だ発展途上である．　現状の乱流モデルは，計算機が十分に発達していない時代に，単純な流れを用いて開発されたモデルが標準モデルとなって産業利用が進んできたが，近年では，小スケールの渦運動のみをモデル化して，大規模スケールの渦運動の時間発展方程式を解くラージ・エディ・シミュレーション(LES)が設計現場でも利用されつつある．　しかしながら， LESでは壁面近傍のエネルギー生成のピークを十分に解像する必要があり，複雑な形状を有する流体機械内部の流れなどへの応用には，壁面近傍の乱流のモデル化が現在でも必要である．そこで利用されているLESのための壁モデルは，真っ直ぐな平板上で開発されたものを，曲面や複雑形状のような剥離流れを伴う乱流に対しても利用されており，妥当なモデリングがなされていない．本研究では,乱流モデルを用いない高精度の直接数値シミュレーション(DNS)の結果を利用し，　剥離する直前の乱流境界層にも適用できるLES壁面モデルの開発を行う．　今年度は，以下を実施した:(i) GPUを利用した計算機環境の構築,及び,GPUに対応したDNS/LESプログラムの作成・検証; (ii) 壁面乱流への圧力勾配の影響を系統的に調べるためにCouette-Poiseuille流れの，直接数値計算を実施し，逆圧力勾配と乱流統計量の関係について調査; (iii) カノニカルな壁乱流である平行平板間乱流の浮力による渦構造へ影響を調査した．以上のさまざまな乱流DNSデータを活用して, LES壁面モデルの予測精度向上を目指す.

具有弯曲表面和角落的复杂形状周围的数值模拟的精度提高了，这是一个重要的工程问题，因为这会改善飞机和涡轮叶片等流体机的性能。现有的湍流模型遇到了一个问题，即剥离点附近的预测准确性大大降低了，并且可以适应弯曲表面和复杂形状的模型仍在开发中。在计算机尚未完全开发的时代，使用简单流量开发的模型已成为标准模型，现在正在工业应用中使用。但是，近年来，仅模拟小规模涡流运动并求解大规模涡流运动的时间不变方程的大型涡流模拟（LES）也已用于设计地点。但是，在LE中，有必要充分解决壁附近的能量产生的峰值，并且在壁附近的湍流建模仍然是应用在应用中以复杂形状的流体机中流动。使用的LES的壁模型是在直板上开发的，还用于带有剥离流量（例如弯曲表面和复杂形状）的湍流，并且尚未适当建模。在这项研究中，我们将使用高精度直接数值仿真（DNS）的结果而不使用湍流模型，将开发一个可以在剥离之前应用于湍流边界层的LES壁模型。今年，进行了以下操作：（i）使用GPU构建计算机环境，并创建和验证与GPU兼容的DNS/LES程序；（ii）为了系统地研究压力梯度对壁湍流的影响，我们对COUITETE-POISEUILLE流动进行了直接的数值计算，并研究了反压梯度与湍流统计数据之间的关系；（iii）我们研究了由于浮力引起的涡流结构，平行板之间的湍流（是规范壁湍流）的影响。使用上述各种湍流DNS数据，我们旨在提高LES壁模型的预测准确性。