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工程湍流模型参数辨识研究

作　者: 周宇
导　师: 钱炜祺
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 湍流模型计算流体力学均匀试验设计参数辨识
分类号: O357.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在计算流体力学中湍流计算模型对计算结果产生重要的影响。工程上已建立起来了多种湍流模型,这些模型或多或少都含有经验参数。这些参数的取值大都是通过一些特殊条件下的实验结果来标定的,未必对所有流动情况都适用。因而在实际应用中,通常需要针对一些特定的流动类型对这些参数值进行调整。但是,对这些参数进行调整,首先需要分析模型参数的取值对计算结果的影响规律和影响大小。因此,本文以工程上广泛应用的k-ωSST两方程湍流模型和SA一方程模型为研究对象进行了分析。首先介绍了标准k-ε两方程模型中参数的标定方法,并由标准k-ε两方程模型出发给出了工程上常用的k-ωSST模型中的参数取值,接下来对工程上另一常用的SA模型中的参数选取进行了初步分析。其次利用均匀试验设计方法对k-ωSST模型中八个参数对湍流流场计算的影响规律进行了分析。此后,利用均匀试验设计方法初步分析了网格因素和k-ωSST湍流模型参数对流场计算结果的影响。结果表明:模型参数a1的值变化10%对气动系数计算结果的影响大于计算网格加密两倍对计算结果的影响,在数值模拟时计算网格规模离理想状态有一定差距的情况下,在计算时调整参数a1的值仍然是有意义的。随后用均匀试验设计方法分析了含有流动分离的二维翼型绕流工况下k-ωSST模型中的八个参数对翼型气动系数计算结果的影响规律。结果表明:在分离流工况下,参数σω2、β*、β2和a1对气动系数计算结果的影响都较大,在进行参数辨识工作时需重点关注。然后分析了三维附着流动情况下的k-ωSST湍流模型中的参数和网格规模对计算结果的影响。结果表明;三维附着流情况下,参数a1也是对气动系数影响最大的参数。湍流参数在不同的雷诺数下对气动力的影响也进行了分析。然后利用均匀试验设计方法对SA模型中八个参数在小攻角跨声速和大攻角两种典型的绕翼湍流流场计算中的影响规律进行了分析。结果表明:在附着流中参数Cb1对气动系数的影响比其他的参数都大得多。在分离流中,不再是一个参数Cb1对气动力系数影响最大,其中湍流扩散项系数σ和控制转捩项系数Ct3对流场计算也会起到重要的影响。因此在对分离流进行数值模拟时需对其参数值选取做进一步的深入分析。最后,介绍了湍流模型参数辨识的初步算法。对考虑测量噪声情况下的湍流模型参数辨识进行了计算。然后是将参数辨识算法初步应用于DLR-F4翼身组合体的气动系数计算,将单一工况下辨识出来的湍流模型参数值推广用于其它不同攻角工况的计算,发现气动系数的预测结果大多有所改善,表明参数的这一辨识值具有一定的普适性。在考虑网格影响的情况下,通过插值技术可以有效的降低网格误差对参数辨识的影响。初步建立基于遗传算法和Kriging响应面模型的参数辨识算法。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章引言  8-16
  1.1 研究背景和意义  8-9
  1.2 国内外进展情况  9-14
    1.2.1 工程湍流模型历史与研究现状  9-11
    1.2.2 工程湍流模型参数辨识研究进展  11-14
  1.3 本文的工作  14-16
第二章湍流模型与辨识算法  16-25
  2.1 k-ωSST 两方程模型  16-18
  2.2 SA 一方程模型  18-21
  2.3 辨识参数的灵敏度法  21-22
  2.4 辨识参数的遗传算法  22
  2.5 Kriging 模型的基本算法  22-25
第三章 k-ωSST 模型中参数的影响分析  25-53
  3.1 二维流动情况下的k-ωSST 湍流模型参数影响分析  25-39
    3.1.1 RAE2822 翼型跨声速绕流计算  25-33
    3.1.2 NACA0012 翼型亚声速小攻角绕流计算  33-35
    3.1.3 NACA0012 翼型亚声速大攻角绕流计算  35-38
    3.1.4 参数a1 对流场的影响初步分析  38-39
  3.2 三维流动情况下的k-ωSST 湍流模型参数影响分析  39-53
    3.2.1 M6 翼型跨声速绕流计算  39-49
    3.2.2 DLR-F4 翼身组合体跨声速绕流计算  49-53
第四章 SA 湍流模型中参数的影响分析  53-73
  4.1 二维流动情况下的SA 湍流模型参数影响分析  53-61
    4.1.1 RAE2822 翼型跨声速绕流计算  53-59
    4.1.2 NACA0012 翼型亚声速大攻角绕流计算  59-61
  4.2 三维流动情况下的SA 湍流模型参数影响分析  61-73
第五章湍流模型常数的参数辨识  73-90
第六章结束语  90-91
  6.1 本文工作总结  90
  6.2 本文工作展望  90-91
致谢  91-92
参考文献  92-94
个人简历  94

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