基于湍流非平衡输运特性改进湍流模型对角区分离模拟能力的研究

本课题以轴流压气机角区分离为研究对象，分别采用数值模拟和实验方法对不同工况下带有角区分离的内流场的湍流量和平均流场进行计算和实验测量，在此基础上系统分析湍流的非平衡输运特性，即流场中雷诺应力、湍动能、耗散率、涡粘性等各湍流量的生成、扩散和耗散等分布情况,总结其物理规律；基于对湍流输运特性的分析对现有工程湍流模型开展研究，发现其在各种不同工况下输运特性模拟的问题，例如涡粘性生成模拟过大等等，针对这些问题分析影响模拟的关键因素并研究改进方法，建立计入非平衡湍流物理机理的新模型，使之能够正确模拟其输运特性，特别是能够正确的模拟出不同工况下输运特性的变化，最终达到正确模拟不同工况下平均流动特性，为高性能先进压气机的设计研制发展有效的数值模拟工具。

本课题以轴流压气机角区分离为研究对象，本着由简到繁、由易到难、由机理到应用的研究路线，先后选择了弯曲扩张槽道、平面叶栅和低速大尺寸压气机试验台进行研究。分别采用实验方法和数值模拟对不同工况下带有角区分离流动的湍流量和平均流场进行研究，在此基础上系统分析湍流的非平衡输运特性,建立湍流的非平衡输运特性和流场之间的物理规律，分析不同工况下影响输运特性模拟的关键因素并研究改进方法，改进常用湍流模型。具体工作如下：.（1）建立了压气机三维角区分离流动的实验数据库。.对弯曲扩压槽道和低速平面叶栅进行了实验测量，尤其是对低速平面叶栅，采用了五孔针、PIV、LDV等先进实验测量方法，研究了攻角的影响，并对4度攻角下的流动进行了详细测量。获得了非常详细的实验数据库，可为进一步改进校验湍流模型提供实验数据支持。.（2）系统校验了常用湍流模型对压气机三维角区分离流动的模拟精度，为湍流模型使用和改进提供指导。.系统校验了常用的7个湍流模型（分别为：SA, SKE, REL, KW, SST, V2F和RSM模型），结果表明，所有湍流模型都有一定的偏差，并且随着攻角的增大偏差越大，相对而言RSM模型预测得最好，但RSM也需要经过实验验证才能作为参考。.（3）基于湍流非平衡输运特性，提出了修正模型系数Cb1改进SA模型的方法。.研究表明，Cb1对SA模型中湍流非平衡输运特性的模拟有重要影响，应该根据流动状态变化而变化，才能更好地模拟角区分离流动的湍流输运特性，从而更好的模拟三维角区分离流动。Cb1和流场的总参数（流量/攻角）之间存在着二次关系式。.（4）基于湍流非平衡输运特性，提出了关联当地螺旋度计入湍流能量反传物理机制，改进SA模型的方法。.本文提出的关联当地螺旋度改进SA模型的方法，可以自动适应不同工况下的流动。由于是采用和当地流场细节相关，而无需依靠经验关联总参数，因此该方法可以“自适应”计入湍流非平衡输运特性，这一方法更具有科学意义和工程意义。.（5）基于湍流非平衡输运特性，提出了修正模型系数DETAw1改进SST k-w模型的方法。.研究表明，DETAw1对SST k-w模型中湍流非平衡输运特性的模拟有重要影响，DETAw1应该根据流动状态变化而变化，才能更好地模拟角区分离流动的湍流输运特性，从而更好的模拟三维角区分离流动。