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ANSYS CFX转捩模型在航空设计中的应用 |
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作者：安世亚太 杨振亚 |
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ANSYS公司与通用电气公司全球联合研发，开发出了一种精确可靠的转捩模型，适用于近壁面湍流模拟。这种创新的方法因其严格基于局部变量和标准输运方程，因而无论对三维非结构网格，单处理器或并行计算，都表现出良好的运行性能。
对于大多数低到中等雷诺数的绕壁面流动，需要考虑壁面剪切应力和热传递，因而确定转捩位置和长度十分重要。ANSYS CFX中的转捩模型提供了预测工程转捩的灵活环境，而对几何模型和网格拓扑没有特殊要求。
在航空航天领域，转捩将影响边界层分离型式，因而进一步将影响翼型和钝体的气动性能。对于高超音速飞行器，转捩对热防护系统和可行飞行轨迹设计有重要影响。宇航飞行器的气动性能、重量和成本可在设计阶段通过考虑流动转捩来进行优化。
为了验证转捩模型在涡轮机械和空气动力学中的应用，已经计算了大量的算例。这包括平板边界层转捩、圆柱前缘分离诱导转捩以及风轮机的自然转捩；涡轮算例包括高载荷压气机叶栅，低压涡轮叶片，跨音速涡轮导流片，三维环形压气机叶栅以及由于尾迹冲击导致的非定常转捩；外流算例包括直升机整机算例、长机翼外流算例等。所有的算例在定量上与实验数据都吻合的非常好。
算例一：平板边界层转捩模拟
图1显示了利用ANSYS CFX转捩模型计算的平板边界内流动，从表面摩擦力系数的计算结果对比看出：CFX转捩模型计算的表面摩擦力系数和实验测量的平板边界层表面摩擦力系数几乎完全一致。而按照纯层流计算和纯湍流计算的结果，都在不同区域有很大差异。
算例二：DLR F5机翼分离流动模拟
一旦流动完全按湍流计算，分离就被完全忽略。图2-3显示了一个Re=1500000的机翼实例。在攻角为2度时，DLR F5机翼的层流分离区和湍流重附着区被CFX准确地模拟出来，其分离位置和试验的结果吻合得很好。图2是CFX计算的分离区位置、表面摩擦力系数，以及表面流线，图3则显示了试验的结果。
算例三：涡轮叶片的转捩流动模拟
普惠公司采用ANSYS CFX计算的涡轮叶片流动，在该算例中，转捩发生在边界层层流分离之后。层流区之后的压力梯度导致了扰动的迅速增长，进而引起转捩。左图显示了叶片周围的湍流强度分布，以及分离点、再附着层。图4显示了计算结果（摩擦阻力系数）和试验值的比较，可以看出，没考虑转捩的计算和试验值相差很大，而转捩模型的计算则要符合得多。
图4
算例四：直升机外流模拟
在如今的模拟中，许多带有转捩的流动被典型地作为充分发展的湍流来计算，这过高地估计了壁面剪切应力和壁面换热。
甚至对于相对较大雷诺数的流动，转捩也会带来影响，在图5中可以看到转捩对一架Re=3e7的完整直升机的影响。左图为不考虑转捩的计算结果，图6是考虑了转捩的计算结果，通过比较得知，考虑转捩模拟后，整个直升机的阻力系数降低了5%，更接近试验值。
总结
ANSYS CFX中的转捩模型已经过广泛验证，在航空航天和涡轮机械领域的应用中，已证明是确定转捩位置和长度的必备工具。CFX世界上第一个在三维CFD模拟中包含预测层流到湍流转捩模型的商用软件。(end)
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(12/26/2006) |
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