[发明专利]一种生成各向同性湍流脉动速度场方法

说明书

本发明公开了一种生成各向同性湍流脉动速度场方法，该方法具体为：生成初始各向同性湍流脉动速度场并规整到目标平均动能；计算湍流脉动速度场耗散量得到维持湍流所需补偿量；采用线性补偿量作为动量方程源项保持湍流脉动系统。本发明的生成各向同性湍流脉动速度场方法无需寻找合适的固定补偿量步骤，可快速生成操作者所需在一定波数下保持一定动能的各向同性湍流脉动场，节省大量实验时间，特别是相对于通过控制一定雷诺数，以高精度计算底下形成湍流的方法相比所需时间仅需其50％甚至更少。另外，本发明的方法可以控制形成的稳定湍流脉动动能量，而传统方法形成的湍流脉动场动能量没有可预见性。

技术领域

本发明属于计算流体力学的技术领域，具体涉及一种生成各向同性湍流脉动速度场方法。

背景技术

湍流是全世界最前沿的125个科学问题之一。1883年雷诺做了著名的雷诺实验，并下定义雷诺数(Re)小于2320的流动为粘性力主导的层流；Re介于2320和4000之间的流动为粘性力和惯性力相互争夺主导权的过渡流；Re大于4000的流动为惯性力为主导的湍流状态。湍流由于其混沌性，强耗散性，多尺度耦合让无数研究人员对此深深着迷。

使用计算的方式来研究湍流，计算方法有：雷诺平均(RANS)，大涡模拟(LES)，直接数值模拟(DNS)。其中直接数值模拟(DNS)对湍流的捕捉是最为精确的，直接数值模拟也是被寄希望于破解湍流奥秘。

使用高精度的计算方法来模拟湍流，一大难点在于如何将湍流生成出来。当前研究方法中。有研究是在足够雷诺数的情况下，通过漫长的计算，得到湍流的场。该方法所要求的时间非常长，而且计算资源非常大；另外有研究是通过给一定的扰动，比如波纹，前期速度波动等方式来诱发湍流，这种方法相对前一种方法所需要的发展时间稍短，计算资源也稍少；

研究湍流的方式各式各样，有通过湍流在近壁面的拟序结构向湍流生成过程来研究湍流，有设定特定的管道装置来观测湍流的方式研究湍流，有用各向同性湍流在全循环边界条件下观测纯粹的湍流流动。湍流在含有壁面的区域流动时，壁面对湍流的动力学性质以及能量收支的情况会造成极大的影响。相比之下各向同性湍流则给予了湍流流动的极大发展空间，与空间的不均匀性，各向异性的复杂性分离出来，其发展是自然的，朴实的。

在研究湍流发展和状态量的所有方法中，都需要面对维持湍流的问题，针对不同的几何模型有着不同的方法。当前技术上大多都是使用在低波数下补偿额外功率，该方法只能在高波速下看小尺度的湍流。这种方式所能得到的湍流尺度和统计量非常有限，不利于对湍流进行系统的研究。

本发明研究的各向同性湍流有个特性要求是速度场矢量和为零，即整个速度场为速度脉动。由于各向同性湍流场对流场形态具有较高的要求，而没有任何边界阻挡的流场自由度极大。极容易整个湍流场形态发生变化，整体矢量向某一方向偏移；特别是采用线性全波数的额外功率来维持湍流，还极易造成湍流场不稳定。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种生成各向同性湍流脉动速度场方法，以傅里叶空间下生成的各向同性湍流脉动初始场规整到目标动能为初始条件，实现一套完整的各向同性湍流脉动速度场的维持，并得到较好的统计特性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种生成各向同性湍流脉动速度场方法，包括下述步骤：

S1、生成各向同性湍流脉动速度场并将其平均动能规整到目标平均动能；

S2、计算各向同性湍流脉动速度场耗散量得到维持湍流所需补偿量；

S3、采用线性补偿量作为动量方程源项保持湍流脉动系统。

作为优选的技术方案，所述步骤S1的具体方法为：

S11、定义各向同性湍流脉动速度场在傅里叶空间下的波数分布；