Численное трехмерное моделирование турбулентного пограничного слоя в режиме развитой шероховатости на основе LES-технологии

Abstract

Турбулентный пограничный слой на плоской шероховатой пластине с нулевым градиентом давления численно моделируется посредством LES-технологии для числа Рейнольдса, равного 105. Крупномасштабное поле течения получается путем прямого интегрирования отфильтрованных трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса для несжимаемой жидкости, используя конечно-разностный метод. Маломасштабные движения параметризованы посредством "смешанной" модели. "Top-hat" фильтр в физическом пространстве использован со вторым порядком точности. Численное моделирование выполнено для того, чтобы изучить среднюю скорость, полные турбулентные напряжения, разрешаемые турбулентные напряжения, кинетическую энергию турбулентности и подсеточномасштабные эффекты. Вычисленные профили средней скорости и турбулентные статистики c экспериментальными данными хорошо согласуются.

Турбулентний пограничний шар на плoскiй шорсткiй пластинi з нульовим градiєнтом тиску чисельно моделюється за допомогою LES-технологiї для числа Рейнольдса, яке дорiвнює 105. Великомасштабне поле течiї одержується шляхом прямого iнтегрування вiдфiльтрованих тривимiрних нестацiонарних рiвнянь Нав'є-Стокса для нестисливої рiдини з використанням кiнцево-рiзницевого методу. Маломасштабнi рухи параметризованi за допомогою "змiшаної" моделi. "Top-hat" фiльтр у фiзичному просторi використаний з другим порядком точностi. Чисельне моделювання виконано для того, щоб вивчити середню швидкiсть, повнi турбулентнi напруги, розв'язанi турбулентнi напруги, кiнетичну енергiю турбулентностi та пiдсiдковомасштабнi ефекти. Профiлi середньої швидкостi i турбулентних статистик, якi обчисленi, добре узгоджуються з експериментальними результатами.

The fully rough turbulent boundary layer on a flat plate, with zero pressure gradient, is simulated numerically by LES-technique for a Reynolds number of 105. 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 an "mixed" model. The "top-hat" filter in physical space was used with second-order-accurate scheme. The simulation were performed to study the mean velocity, the total turbulent stresses, the resolved turbulent stresses, the turbulence kinetic energy and subgrid-scale-model effects. The agreement of the computer mean-velocity profile and turbulence statistics with experimental data is good.