一种湍流入口数据生成方法.pdf

本发明公开了一种湍流入口数据生成方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、获取入口截面处的平均参数；步骤二、从下游回收截面中提取出脉动信息，先将该脉动信息进行空间中的本征特征分解处理后，再根据相似律进行比例变换，然后将结果作为入口的脉动参数；步骤三、将平均参数和脉动参数相加合成湍流入口瞬时参数。这样得到的湍流边界条件充分的接近真实湍流的数据，能有效的保障主模拟的真实性和有效性。

权利要求书
1.  一种湍流入口数据生成方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、获取入口截面处的平均参数；步骤二、从下游回收截面中提取出脉动信息，先将该脉动信息进行空间中的本征特征分解处理后，再根据相似律进行比例变换，然后将结果作为入口的脉动参数；步骤三、将平均参数和脉动参数相加合成湍流入口瞬时参数。

2.  如权利要求1所述的湍流入口数据生成方法，其特征在于所述方法还包括构造了一个辅助计算来生成湍流入口数据。

3.  如权利要求1或者2所述的湍流入口数据生成方法，其特征在于所述步骤一中的入口截面处的平均参数                                               通过求解Navier-Stokes方程的雷诺平均方程获得。

4.  如权利要求3所述的湍流入口数据生成方法，其特征在于所述步骤二还包括边界层重构的权函数设计。

5.  如权利要求4所述的湍流入口数据生成方法，其特征在于所述边界层重构的权函数设计具体包括以下的步骤：
步骤S21.从回收截面处提取出流动瞬时参数，对其进行平均得到平均参数，并将平均参数在边界层内分解为内层参数和外层参数；
步骤S22.根据步骤S21得到的内层参数和外层参数以及边界层内的相似律，计算出入口截面处的内层参数和外层参数；
步骤S23.重构平均参数，，其中W为权函数；
步骤S24. 优化权函数W，使得重构的参数和给定的参数趋于一致，即通过优化权函数W，使得最小。

6.  如权利要求5所述的湍流入口数据生成方法，其特征在于所述步骤二中入口的脉动参数的计算方法具体为：先从回收截面处提取流动脉动参数，然后对该脉动信息进行POD分解处理，忽略小能量的高阶模态，得到新的脉动参数；然后将该脉动参数分解成内层参数和外层参数，并用相似律计算出入口处的内层脉动参数和外层脉动参数，再将用优化得到的权函数W来重构脉动参数，将得到的新的脉动信息作为辅助计算入口处的脉动参数。

说明书一种湍流入口数据生成方法
技术领域
本发明涉及流体力学技术领域，本发明公开了一种湍流入口数据生成方法。
背景技术
边界层是所有流动现象中最为简单的一种，即使是这样简单的模型，当它向下游发展时，会历经层流阶段，然后是层流向湍流过渡的转捩阶段，最后是充分发展的湍流阶段。这过程中所经历的复杂的流动现象，人们迄今都还不能完全理解。同时湍流边界层涉及到工业领域许多方面，如湍流减阻、湍流噪声、湍流振动等等，而这所有的一切都需要从最简单的边界层流动研究起，逐步趋向实际应用，所以边界层成为湍流研究的基础。
对于空间发展的湍流边界层而言，它对上游条件十分敏感，所以在采用数值模拟方法(大涡模拟LES或是直接数值模拟DNS)对湍流边界层进行模拟时，其入口边界条件十分重要，直接关系到数值计算成功与否，如图1所示的LES或是DNS模拟的边界条件示意图，湍流入口条件直接关系到LES或是DNS模拟的成功与否。因为湍流入口处的流动信息(尤其是脉动信息)是未知的且随时间变化的，在模拟时通常需要人为给出，人为给出的脉动信息是否符合湍流特征，由此得到的下游充分发展湍流是否是接近真实湍流？这成为研究人员十分关注的问题。
对于湍流入口条件的研究而言，最基本的做法是将瞬时流动参数 分解为平均参数和脉动参数两项，平均参数是通过时间或是空间积分平均来获得，而脉动参数则是瞬时参数和平均参数的差量，即： 这里代表速度、温度中的任意一种流动参数。
近十年来国内外很多学者针对这方面开展了这方面的研究工作，大致包括：1.通过实验数据或是DNS计算数据构造湍流入口数据。这类方法需要事先给定实验数据或是DNS计算数据，这样就限制了该方法的使用；2.采用层流剖面作为入口处的平均参数，并将脉动参数取为随机量，两者叠加后合成湍流入口数据。这类方法需要模拟从层流到湍流的整个过程，在下游需要很长距离才能获得湍流数据，带来了很大的计算量，严重的影响了方法的效率。3.通过流向拟周期性边界条件，构造辅助计算来获得湍流入口数据。这类方法是基于湍流边界层的相似律，将下游的流动信息进行数据处理后引入上游作为上游的入口条件，从而成为一种近似周期条件。这类方法长时间积分后会造成平均剖面的漂移，导致入口处的边界层厚度无法满足给定条件。
发明内容
针对上述的问题，本发明提出了一种湍流入口数据生成方法。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种湍流入口数据生成方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、获取入口截面处的平均参数；步骤二、从下游回收截面中提取出脉动信息，先将该脉动信息进行空间中的本征特征分解处理后，再根据相似律进行比例变换，然后将结果作为入口的脉动参数；步骤三、将平均参数和脉动参数相加合成湍流入口瞬时参数。
更进一步地，上述方法还包括构造了一个辅助计算来生成湍流入口数据。
更进一步地，上述步骤一中的入口截面处的平均参数通过求解Navier-Stokes方程的雷诺平均方程获得。
更进一步地，上述步骤二还包括边界层重构的权函数设计。
更进一步地，上述边界层重构的权函数设计具体包括以下的步骤：
步骤S21.从回收截面处提取出流动瞬时参数对其进行平均得到平均参数并将平均参数在边界层内分解为内层参数和外层参数
步骤S22.根据步骤S21得到的内层参数和外层参数以及边界层内的相似律，计算出入口截面处的内层参数和外层参数
步骤S23.重构平均参数其中W为权函数；
步骤S24.优化权函数W，使得重构的参数和给定的参数趋于一致，即通过优化权函数W，使得最小。
更进一步地，上述步骤二中入口的脉动参数的计算方法具体为：先从回收截面处提取流动脉动参数然后对该脉动信息进行POD分解处理，忽略小能量的高阶模态，得到新的脉动参数然后将该脉动参数分解成内层参数和外层参数并用相似律计算出入口处的内层脉动参数和外层脉动参数再将用优化得到的权函数W来重构脉动参数将得到的新的脉 动信息作为辅助计算入口处的脉动参数
通过采用以上的技术方案，本发明具有以下的有益效果：本发明一方面获取入口截面处的平均参数，另外一方面通过将下游的流动信息进行数据处理后引入上游作为上游入口的脉动参数，并将平均参数和脉动参数相加合成湍流入口瞬时参数。这样的方法结合了现有技术的中的两种方法。这样得到的湍流边界条件充分的接近真实湍流的数据，能有效的保障主模拟的真实性和有效性。
附图说明
图1为LES或是DNS模拟的边界条件示意图。
图2为辅助计算和主模拟之间的关系示意图。
图3为生成湍流入口数据的辅助计算示意图。
图4为辅助计算的计算域。
图5为辅助计算数据过程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。
本发明公开了一种湍流入口数据生成方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、获取入口截面处的平均参数；步骤二、从下游回收截面中提取出脉动信息，先将该脉动信息进行空间中的本征特征分解处理后，再根据相似律进行比例变换，然后将结果作为入口的脉动参数；步骤三、将平均参数和脉动参数相加合成湍流入口瞬时参数。本发明一方面获取入口截面处的平均参数，另外一方面通过将下游的流动信息进行数据处理后引入上游作为上游入口的脉动参数，并将平均参数 和脉动参数相加合成湍流入口瞬时参数。这样的方法结合了现有技术的中方法2和方法3。这样得到的湍流边界条件充分的接近真实湍流的数据，能有效的保障主模拟的真实性和有效性。
本实施例中，构造了一个辅助计算来完成上述的步骤，该辅助计算专门用于生成湍流入口数据，如图2所示的辅助计算和主模拟之间的关系示意图。辅助计算的出口数据作为LES或DNS主模拟的湍流入口条件。
更进一步地，上述步骤一中的入口截面处的平均参数通过求解Navier-Stokes方程的雷诺平均方程获得。方法2采用层流剖面做为平均流，叠加随机脉动场，需要模拟整个层流到湍流发展过程，计算量很大，本申请采用求解Navier-Stokes方程的雷诺平均方程获得，降低了计算量。
更进一步地，上述步骤二还包括边界层重构的权函数设计，其具体包括以下的步骤：
步骤S21.从回收截面处提取出流动瞬时参数对其进行平均得到平均参数并将平均参数在边界层内分解为内层参数和外层参数
步骤S22.根据步骤S21得到的内层参数和外层参数以及边界层内的相似律，计算出入口截面处的内层参数和外层参数
步骤S23.重构平均参数其中W为权函数；
步骤S24.优化权函数W，使得重构的参数和给定的参数 趋于一致，即通过优化权函数W，使得最小。
更进一步地，上述步骤二中入口的脉动参数的计算方法具体为：先从回收截面处提取流动脉动参数然后对该脉动信息进行POD分解处理，忽略小能量的高阶模态，得到新的脉动参数然后将该脉动参数分解成内层参数和外层参数并用相似律计算出入口处的内层脉动参数和外层脉动参数再将用优化得到的权函数W来重构脉动参数将得到的新的脉动信息作为辅助计算入口处的脉动参数如图3所示的生成湍流入口数据的辅助计算示意图。
下面构建一个辅助计算实例，详细说明本发明的实现过程
(1)辅助计算区域的构建
为了给LES或是DNS模拟提供一个随时间变化的充分发展的湍流入口数据，单独构造一个平板边界层的辅助计算。如图4所示的辅助计算的计算域。边界条件是底部为无滑移壁面，展向(z方向)上两侧都是周期性边界条件，而右侧和顶侧都是流动出口条件。
首先根据主模拟的来流条件给出辅助计算的来流条件ρ∞,U∞,p∞， 并给定入口处的边界层名义厚度δinl，边界层动量厚度为θinl，入口处 的基于动量厚度的Reynolds数为Reθ=ρ∞U∞θinl/μ∞，计算域的流向、 法向和展向的尺度分别取为12δinl,4δinl,0.5δinl。计算网格上，流向和展 向可以采用均匀网格流向网格应保证Δx+＝20～50，展向网格应保证 Δz+＝10～20，法向网格采用非均匀网格，要求壁面第一层网格 边界层边缘处的Δy+＝50～100。并在距入口下游10倍边 界层厚度的地方建立回收截面，用于提取下游的流动信息。
(2)入口平均参数的给定
在辅助计算域中，假定来流条件流过平板，通过求解雷诺平均的NS方程(RANS方程)得到平板边界层平均流动参数。求解RANS方程为计算流体力学的常用方法，本领域的技术人员在计算流体力学的相关书籍中就能够找到。
由RANS的模拟结果，计算沿流向的各个截面积分得到各个截面的动量厚度，假定在某截面x*处的动量厚度等于给定的动量厚度θinl，则以该截面的流动参数作为辅助计算的入口平均参数即： u ‾ i , inl ( y ) = u ‾ i ( x * , y ) T ‾ inl ( y ) = T ‾ ( x * , y ) . ]]>
这样入口条件处的边界层名义厚度δinl，动量厚度θinl，摩擦速度uτ,inl可以确定了。
(3)回收截面参数的提取
在辅助计算域下游距离入口10δinl建立一个回收截面(recyclesection),提取出该截面上的瞬时流动参数对于平板边界层而言，可以假设其流动参数在展向上是均匀的，这样可以积分算出该截面上的平均流动参数具体计算公式为：

其中Δt表示计算时间步长，而上标“n”和“n+1”表示计算时间步，当湍流充分发展后的前后两个时刻的平均值就会趋于一致，T是平均值计算的采样时间。在得到回收截面的平均参数分布之后，就可 以得出回收截面的脉动参数。
并计算出该截面的边界层名义厚度δrcy，动量厚度θrcy，摩擦速度uτ,rcy。同时也可以得到内层和外层的相似律：

其中的上标“in”和“out”分别表示边界层内外层参数，uτ(x)是摩擦速度，y+,η分别是边界层内外层的法向无量纲距离，它们的定义分别为：
u τ = μ ρ ∂ u ∂ y | wall y + = yu τ ρ μ η = y δ , ]]>
(4)优化边界层的重构权函数
在上一步骤中给出了回收截面处边界层内外层的平均参数和 以及内外层各自的相似律，由该相似律计算出入口截面处的内外层平均参数参数和以内层u速度为例说明使用相似律计算入口u速度的方法。在入口截面和回收截面，内层u速度应当都满足相似律，所以：
u ‾ in ( x inl , y + ) u τ ( x inl ) = f u ( y + ) = u ‾ in ( x rcy , y + ) u τ ( x rcy ) ]]>
∴ u ‾ inl in ( y + ) = u τ , inl u τ , rcy · u ‾ rcy in ( y + ) ]]>
参考上式的算法可以计算出入口处的内层平均流动参数和外层平均流动参数
此时可以将入口处内外层的平均参数通过权函数W重新合成新 的入口平均参数由于流动的发展，随意选择的权函数构造出来的参数必然和入口给定参数不一致。于是，通过对权函数W的优化，使得构造出来的平均流动参数尽量和RANS给定的参数一致。这里权函数选择为：
W ( η ; a , b ) = 1 2 ( 1 + tanh [ a ( η - b ) ( 1 - 2 b ) η + b ] / tanh ( α ) ) ]]>
其中η为给定的自变量，为边界层外层的无量纲距离，而a,b是权函数W(η；a,b)的设计参数，其初始值可以取为a＝4,b＝0.2。所以设计问题就是求解如下的极小化问题，得到最优的设计参数a,b，设计完成后a,b就是常数，权函数只有一个自变量η。

(5)脉动参数的处理
从下游提取出来的时间序列上的脉动场我们通过对其进行POD分析，得到其的基函数φi(x,t),(i＝1...N)，这里N是时间序列的采样个数。分析这N个模态上的湍动能分布，由于高模态上的能量分布很小，例如前M个模态占据了总能量的90％，则可忽略其后的N-M个模态，于是在前M个模态上重构脉动场。这种做法充分保留了大尺度的湍流结构，忽略了小尺度的涡和耗散尺度的涡。于是可以得到新的湍流脉动场

这里，αk是脉动场在基函数φk上的投影。 
将POD分解后的脉动参数也分解成内外两层也通 过相似律计算出入口截面处的脉动参数其相似律如下：

根据优化出来的权函数W(η)重构入口处的脉动参数

(6)入口瞬时参数的合成
最后将入口处的脉动参数和RANS给定的平均参数直接叠加，将其作为辅助计算的入口边界条件。

本发明在给定了辅助计算域的入口边界条件后，通过求解Navier-Stokes方程，在经过一段时间的计算就可以在辅助计算区域得到充分发展的湍流边界层了。然后将辅助计算域出口处的湍流数据提取出来，将其传给采用LES或DNS主模拟过程，将其作为主模拟的湍流入口边界条件。这样得到的湍流边界条件充分的接近真实湍流的数据，能有效的保障主模拟的真实性和有效性。
上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用本发明的，本发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离本发明的发明思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而本发明的保护范围并不被上述实施例 所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。