Численное моделирование влияния турбулентности внешнего потока на структуру пограничного слоя

Abstract

Турбулентный пограничный слой на плоской пластине под действием турбулентности внешнего потока численно моделируется посредством LES-технологии для числа Рейнольдса, равного 104. Крупномасштабное поле течения получается путем прямого интегрирования фильтрованных трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса для несжимаемой жидкости, используя конечно-разностный метод. Маломасштабные движения параметризованы посредством динамической "смешанной" модели. Число использованых сеточных узлов составляет {385 × 193 × 97}. Численное моделирование выполнено для того, чтобы изучить среднюю скорость, турбулентные напряжения, кинетическую энергию турбулентности и подсеточные эффекты при параметре внешней турбулентности Tu= {0; 0.0287; 0.0466; 0.0754}. Внешняя турбулентность увеличивает поверхностное трение и значительно изменяет среднюю и флюктуационную скорость во внешней области пограничного слоя. Согласованность вычисленных профилей средней скорости и турбулентных статистик c экспериментальными данными является хорошим.

Турбулентний пограничний шар на пласкiй пластинi пiд впливом турбулентностi зовнiшнього потоку чисельно моделюється за допомогою LES-технологiї для числа Рейнольдса, яке дорiвнює 104. Великомасштабне поле течiї одержується шляхом прямого iнтегрування фiльтрованих тривимiрних нестацiонарних рiвнянь Нав'є-Стокса для нестисливої рiдини, використовуючи кiнцево-рiзницевий метод. Маломасштабнi рухи параметризованi за допомогою динамiчної "змiшаної" моделi. Число використаних сiткових вузлiв є {385 × 193 × 97}. Чисельне моделювання виконано для того, щоб вивчити середню швидкiсть, турбулентнi напруги, кiнетичну енергiю турбулентностi та пiдсiдковi ефекти з параметром зовнiшньої турбулентностi Tu= {0; 0.0287; 0.0466; 0.0754}. Зовнiшня турбулентнiсть пiдвищує поверхневе тертя та значно змiнює середню i флюктуацiйну швидкостi в зовнiшнiй частинi пограничного шару. Узгоджуваннiсть обчисленних профiлiв середньої швидкостi i турбулентних статистик з експериментальними результатами є доброю.

The turbulent boundary layer on a flat plate under influence of free-stream turbulence is simulated by LES-technique for a Reynolds number of 104.The large-scale flow field has been obtained by directly integrating the filtered three-dimensional time-dependent incompressible Navier-Stokes equations using a finite-difference method. The small-scale motions were parametrized by dynamic subgrid-scale mixed model. The number of grid points used in the numerical method was {385 × 193 × 97}. The simulation were performed to study the mean velocity, the turbulent stresses, the turbulence kinetic energy and subgrid-scale-model effects with turbulence intensities Tu= {0; 0.0287; 0.0466; 0.0754}. The free-stream turbulence increases the skin friction and considerably changes mean and fluctuating velocites in the outer region of the boundary layer. There is good agreement between the computer mean-velocity profiles, turbulence statistics and experimental data.