考虑壁面粗糙效应的转捩-分离流混合预测模型研究

研究背景

考虑壁面粗糙度影响的边界层转捩-分离流精确模拟方法是空气动力学领域的研究热点和难点，尤其对于飞行器起降大迎角飞行和发动机等旋转机械中的气动特性评估与优化设计至关重要。传统雷诺平均（RANS）方法在分离流预测方面偏差较大，而大涡模拟方法（LES）在考虑转捩和壁面粗糙度影响时计算量偏大，因此，在混合RANS/LES框架下发展一个兼具效率和精度的粗糙壁面转捩-分离流预测方法，对于工程装备设计具有重要的理论分析意义和实际应用价值。

解决的问题及创新点

（1）为了克服原始极大涡模拟方法（VLES）在灰区的模化应力损耗和网格诱导分离等问题，引入湍流积分尺度取代原始方法中的Kolmogorov尺度作为新的尺度分辨参考长度，构建了新的尺度控制函数和滤波尺度以及边界层保护函数，确保边界层内RANS和LES区域的合理划分，建立了改进型极大涡模拟方法，较为显著地提高了VLES 方法对分离流的预测精度。

（2）构建了满足伽利略不变性的单方程间歇因子γ转捩预测模型，发展了粗糙度增长因子Ar输运方程，形成一个新的粗糙度-转捩预测模型，实现了不同雷诺数、压力梯度和湍流强度条件下粗糙壁面的转捩位置精准捕捉。

（3）将粗糙度-转捩预测模型与改进的极大涡模拟方法通过桥接函数进行结合，并改进尺度控制函数来调整RANS 模型与LES 模型的切换，最终形成了 转捩-分离流混合预测模型。在光滑或粗糙壁面流动中，混合模型对压气机叶片和涡轮叶片边界层转捩位置、转捩区边界层演化形态、转捩后湍流区的模拟精度与试验数据吻合很好，而且计算效率相比LES方法显著提升。

图1 传统方法与本文新提出方法的预测结果对比

总结与展望

当前建立的考虑壁面粗糙效应的转捩-分离流混合预测模型已经在多个亚跨声速叶片流动中得到了验证，预测精度较高。该预测体系后续可以继续向两方面拓展：

（1）高速旋转叶片壁面的横流效应；

（2）向超/高超声速边界层流动拓展；

近几年论文

[1].穆宇旸,徐家宽,李艺,郑国雨,乔磊，白俊强．一种适用于低压涡轮叶片捩-分离流预测的极大涡模拟方法[J/OL]．推进技术. https://doi.org/10.13675/j.cnki.tjjs.2402028

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团队介绍

西北工业大学飞行器先进设计理论与技术创新团队依托飞行器基础布局全国重点实验室和无人飞行器技术全国重点实验室，团队负责人为白俊强教授，团队紧密围绕国家重大需求，研究方向涉及飞行器总体气动设计、计算流体力学、飞行器多学科优化设计、跨介质无人飞行器研发等。现有青年教师和学生80余人。长期以来，团队深度参与国产大型客机、大型运输机、涡桨飞机、无人机和水陆两栖飞机等重大型号，承担各类纵向和横向科研项目100余项。团队成员在AIAA J., J. Fluid Mech., J. Comput. Phys.等业内顶尖期刊发表学术论文200余篇，申请专利50余项，出版专著3部，形成了一系列具有自主知识产权的科研成果。研究成果荣获省部级一等奖3项，省部级二等奖3项，省部级三等奖3项。

团队负责人：白俊强，男，工学博士，西北工业大学无人系统技术研究院/航空学院教授、博导，现任无人系统技术研究院院长，无人飞行器技术全国重点实验室常务副主任。研究方向包括飞行器总体气动设计、飞行器多学科优化设计、高精度流动数值模拟、飞行力学和新概念无人飞行器研发等，在J. Fluid Mech., AIAA J., J. Comput. Phys.等顶尖期刊发表论文200余篇，连续入选2023和2024“全球前2%顶尖科学家”榜。研究成果荣获省部级一等奖3项，省部级二等奖3项，省部级三等奖3项。

第一作者：穆宇旸，男，西北工业大学在读博士研究生，主要研究方向为转捩-湍流建模与飞行器高效气动优化设计。

通讯作者：徐家宽，男，工学博士，西北工业大学航空学院教授/博导，国家级青年人才，省级杰出青年科学基金获得者。研究方向包括：计算流体力学和飞行器气动外形设计等，在J. Fluid Mech., AIAA J.等顶尖期刊发表高水平论文50余篇，连续入选2023和2024“全球前2%顶尖科学家”榜。以第一完成人身份获得陕西省科学技术奖二等奖和中国工程热物理学会科学技术奖二等奖等荣誉，当前担任《推进技术》等期刊青年编委。