尾渦湍流
關注創建者：Cadence CFD學習 創建時間：2023-06-20
尾渦湍流的視頻教程
介觀尺度的新一代核心LBM算法案例實操講解突破傳統CFD算法最大障礙網格劃分
聚焦當前CFD算法梳理和瓶頸分析 湍流問題模擬的算法思路突破分析 2、基于LBM算法的商業仿真工具XFlow行業應用能力介紹及軟件實操展示 大攻角及尾渦湍流模擬 多相流及運動部件模擬 3、交流討論 聚焦傳統CFD和LBM新一代CFD算法區別及特點應用討論
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尾渦湍流的實例教程
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
尾渦湍流是飛機在大氣中移動時產生的擾動空氣的旋轉模式。
尾渦湍流會導致阻力增加、升力降低，并產生橫搖和俯仰力矩。
CFD 仿真可以深入了解尾渦湍流的復雜流動模式，并幫助設計人員提出緩解策略以減少其對飛機性能的影響。
尾渦湍流是飛機在飛行過程中觀察到的常見現象。當飛機向前移動時，機翼將空氣向下推，形成空氣的旋轉模式——尾渦，尾隨飛機后方。產生的渦流很強，會對附近飛行的其他飛機造成湍流影響。因此，尾渦湍流的研究對于制定確保飛機安全和效率的策略至關重要。
在本文中，我們將討論飛機中的尾渦湍流以及計算流體動力學 (CFD) 在深入了解此類湍流效應背后的物理學方面的作用。
尾渦湍流及其影響
在飛機中，機翼產生升力時會產生尾渦湍流。在飛行過程中，機翼的上表面和下表面之間存在壓力差，從而使飛機保持在空中。空氣在機翼上表面流動得更快，與機翼下表面相比產生較低的壓力。為了平衡壓力差，沿機翼下表面的空氣被向上吸入，圍繞翼尖流動，形成氣團循環模式。這是尾隨飛機后方的 渦流。
由于風和重力，這些渦流或主尾流下沉并遠離飛行路徑。下沉運動導致渦流與周圍空氣相互作用，導致湍流。對于遵循相同飛行路徑或近距離飛行的其他飛機來說，與尾渦相關的湍流可能是一個主要的安全問題。在較小的飛機靠近較重的飛機的路徑的情況下尤其如此，因為機翼產生的升力更大，產生的渦流強度更大。
展開 新概念車后擾流板的作用在于破壞了在車后部即將形成的強大的尾渦，致使高速氣流被滯緩，使汽車的尾流結構由大的旋渦變成了由一些不規則的小漩渦構成的湍流，強大的尾渦減弱了，湍流損失也隨之減少，從而降低了壓差阻力。
新概念車的特點
1車身前部由于氣流阻滯產生壓向車身后部的合力，而車身后部由于氣流速度降低而使壓力回升，產生壓向車身前部的合力。理想狀況下是兩個方向的合力平衡。
2但是由于車身尾部產生渦流失壓，導致車身前部的壓力占優勢，從而產生阻力。
3在壓差阻力中，車身尾部的形狀往往起到更大的影響，因為尾部形狀所導致氣流分離區域的大小(尾流結構)決定了尾部壓力回升的程度。
4新概念車的尾部氣流分離區域以及湍動能強度大大小于典型車的尾部分離區域，只損失較小的能量，所以尾部壓力回升較快，因此新概念車的阻力系數小于典型車的阻力系數。
總結
目前,車身造型作為汽車設計的一個重要環節,受到汽車制造者前所未有的關注。現代風洞技術的發展,以及計算機、數控機器在汽車車身設計中的應用,為車身造型實現空氣動力性最優化提供了有力保證。同時,新材料、新工藝在汽車車身上的應用,使汽車制造者以較少的投資實現產品的小批量,多梯化成為可能。面對日趨激烈的市場競爭,在充分滿足空氣動力性要求的前提下,車身造型更注重視覺效果,顯現出藝術化、多樣化和個性化的發展趨勢,一輛輛美侖美奐的車型應運而生,或激烈浪漫,或古典含蓄,或粗獷豪放,最大限度地滿足不同年齡、不同層次的購車族的要求。
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核心挑戰：概念設計階段造型數據不完善，傳統仿真工具迭代速度慢，無法快速響應造型調整；需在兼顧車身視覺沖擊力的同時，解決氣流分離、尾渦過大等問題，平衡美學與氣動性能；車輪、輪罩等部件的氣流干擾的問題難以精準預測。
解決方案：研發團隊采用Altair CFD? 平臺，結合Inspire Studio造型工具，構建了“造型-仿真-優化”的閉環流程：
1.
</li></ol><p><strong>局限</strong></p><ol><li>細節缺失：無法捕捉局部現象（如火焰穩定性、旋流渦結構）。</li><li>依賴經驗模型：燃燒速率、湍流混合等參數需依賴實驗或高維仿真校準。</li></ol><p><br></p><p>本期的FlowSimulator案例：航空發動機燃燒室一維仿真分享就到這里啦，下一期我們將分享更多實用功能，敬請期待。
這通常涉及到使用大渦模擬（LES）等高級湍流模型來模擬瞬態流動。</p><p><strong>5、CAA仿真</strong></p><p>1)聲源識別：從CFD仿真結果中提取噪聲源信息，如葉片上的動態載荷、湍流邊界層等。</p><p>2)聲學模型構建：根據噪聲源信息構建聲學模型，包括聲源位置、聲傳播路徑等。
雷諾平均應力張量采用經典的渦黏假設，并表達成Boussinsq建議的形式：
式中：為湍流渦黏度；k為單位質量流體的湍流脈動動能；為克羅內克函數。采用適合進行潛艇操縱性數值計算的兩方程模型，即剪切應力運輸（shear-stresstransport，SST）湍流模型封閉RANS方程，該模型對于附著邊界層湍流和適度分離湍流均有著較高的計算精度[14]。
而這不像CFD軟件或者程序開發者，如果沒有數學或者程序上的一些天賦，開發一個湍流模型，一個限制器，往往會被折磨的很痛苦。空氣動力學的面很廣，作為布局設計工程師，重要的是選劍，并非鑄劍。何種戰場佩何劍，劍如何揮，此處容易引起論戰，不再贅述。
圖33 邊條與前翼引起的渦系發展
5.3.
（3）計算湍流模型的選取：鑒于燈泡貫流式水輪機的轉輪、導葉、流道有較多曲面，會帶來大曲率流動。為了準確地模擬這種流動，本文選用RNG k-ε湍流模型。
（4）收斂標準：收斂標準以殘差值為衡量，默認的殘差值為1×10-4。
該模型的幾何結構包括一個蝸殼、14個固定導葉、28個活動導葉、15個轉輪葉片、15個分流葉片和一個肘形尾水管。在案例中，數值研究僅在轉輪和引流管中進行。
圖 1 水輪機計算域
下圖展示了實驗中，監測線（Line 1 和 Line2）的位置。
圖 2 監測線位置
計算設置：
本案例使用的湍流模型為
模型。
（3）計算湍流模型的選取：鑒于燈泡貫流式水輪機的轉輪、導葉、流道有較多曲面，會帶來大曲率流動。為了準確地模擬這種流動，本文選用RNG k-ε湍流模型。
（4）收斂標準：收斂標準以殘差值為衡量，默認的殘差值為1×10-4。
尾渦湍流是飛機在飛行過程中觀察到的常見現象。當飛機向前移動時，機翼將空氣向下推，形成空氣的旋轉模式——尾渦，尾隨飛機后方。產生的渦流很強，會對附近飛行的其他飛機造成湍流影響。因此，尾渦湍流的研究對于制定確保飛機安全和效率的策略至關重要。
在本文中，我們將討論飛機中的尾渦湍流以及計算流體動力學 (CFD) 在深入了解此類湍流效應背后的物理學方面的作用。
采用彎葉片可以增加失速裕度，減緩葉尖泄漏渦的發展，延遲葉尖泄漏流與主流的交界面到達相鄰葉片前緣，從而推遲失速出現。從圖9可以看出，在設計工況時，彎葉片與直葉片葉尖處的最大熵產在動葉尾緣，主要由附面層分離導致。彎葉片葉尖泄漏渦產生的熵產小于直葉片，推測在設計工況時，彎葉片的泄漏渦強度小于直葉片。從圖10可以看出彎葉片的葉尖泄漏渦更加狹長，范圍更小，這證實上述的推測。
