[论文解读] Large-eddy simulations of the flow around a NACA0012 airfoil at different angles of attack

Larissa B. Streher|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2018

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 4

一句话总结

本研究采用壁面解析的大涡模拟（LES）方法，结合Smagorinsky亚格子尺度模型，对雷诺数Re = 100,000下NACA0012机翼在迎角α = 0°、5°和11°下的湍流流动进行研究。主要贡献在于识别出一种中等分辨率的网格配置，其壁面距离优化（y⁺_max），在准确性和计算成本之间实现了最佳平衡，适用于未来的流固耦合与颤振分析，特别是迎角≤5°的情况。

ABSTRACT

The purpose of this work is to investigate the flow around a fixed NACA0012 airfoil profile at different angles of attack using wall-resolved LES. The profile has a chord length of c=0.1 m and is exposed to a flow at a Reynolds number of Re=100,000. The background is that in the next step the coupled problem should be considered, dealing with the flutter problem. The software ANSYS ICEM CFD is utilized in order to generate the meshes, which are then applied for the simulation with the in-house software FASTEST-3D. This is based on a finite-volume approach and a three sub-steps predictor-corrector scheme as spatial and temporal discretizations, respectively. The turbulence is modeled by the large-eddy simulation technique and the subgrid-scales are modeled according to Smagorinsky. An analysis of the meshes concerning the dimensionless wall distances is performed based on the spatial and time-averaged results of the velocities, the spatial and time-averaged streamlines, the instantaneous velocities, the spatial and time-averaged Reynolds stresses and the aerodynamic coefficients. A selection of the less computational time demanding grids that can correctly approximate the solutions of the test case is made. In a near future these will be applied to investigate the fluid-structure interaction and particularly the flutter phenomenon of the NACA0012 profile within a turbulent flow.

研究动机与目标

• 采用高保真大涡模拟方法，研究固定NACA0012机翼在不同迎角下的湍流流动。
• 评估网格分辨率与壁面法向y⁺值对模拟精度与计算成本的影响。
• 为后续流固耦合（FSI）与颤振分析选择一种计算高效且精度可靠的网格配置。
• 将LES结果与实验数据进行对比，评估不同迎角下的网格收敛性。
• 为未来涉及湍流条件下动态机翼响应的模拟研究提供基础。

提出的方法

• 采用自主开发的有限体积求解器FASTEST-3D，通过三子步预测-校正格式实现空间与时间的离散化。
• 采用大涡模拟（LES）方法，结合Smagorinsky模型，以解析大尺度湍流结构并建模亚格子尺度应力。
• 利用ANSYS ICEM CFD生成结构化、块结构化的六面体网格，针对不同y⁺水平提供精细与中等分辨率选项。
• 边界条件包括速度进口、对称平面、非反射出口，以及展向方向的周期性边界，以模拟二维流动。
• 计算并分析空间与时间平均的流场、雷诺应力及气动系数（Cp、Cf、CD、CL），用于验证与网格评估。
• 通过无量纲壁面距离（y⁺）分析评估网格质量，比较不同迎角及平均时间下的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Re=100,000下，不同网格分辨率与法向壁面y⁺值如何影响NACA0012机翼流动LES模拟的精度与计算成本？
• RQ2 在α=0°、5°与11°时，LES模拟的流速、流线与雷诺应力结果与实验数据的吻合程度如何？
• RQ3 在α=11°时，解是否对网格分辨率具有独立性？若存在差异，是否由网格或平均时间效应引起？
• RQ4 计算得到的压力系数与壁面摩擦系数与实验测量值相比如何？观察到的偏差由何原因造成？
• RQ5 哪种网格配置能为未来流固耦合模拟提供准确性和计算效率的最佳平衡？

主要发现

• 对于迎角不超过5°的情况，采用y⁺_max的中等分辨率网格在精度与计算成本之间实现了最佳平衡，适用于未来的FSI研究。
• 在α=0°时，精细与中等网格在压力与壁面摩擦系数上均与实验数据吻合良好，但LES捕捉到了实验中不存在的边界层分离现象，这可能是由于实验中采用了边界层控制措施。
• 在α=5°与α=11°时，压力系数的偏差主要源于雷诺数差异与流动分离行为的差异，尤其在吸力面上偏差更大。
• 雷诺应力分析表明，α=11°时两个中等分辨率网格未表现出明显的网格独立性，提示高迎角流动仍需进一步网格细化。
• 计算得到的阻力与升力系数在α=11°时偏差较大，表明其对网格分辨率可能较为敏感，需进一步开展网格收敛性研究。
• 推荐在迎角θ≤5°的FSI模拟中采用y⁺_max的中等分辨率网格；而对于迎角θ>5°的情况，由于存在未解析的流动不稳定性，需采用更高分辨率的网格。