在 PowerFLOW中模拟层流分离的新方法

层流和湍流之间的过渡对于理解许多场景中的流体行为至关重要，例如 eVTOL 螺旋桨和风力涡轮机叶片。以前，这种转变很难准确模拟。PowerFLOW 甚大涡模拟 （VLES） 方法的扩展提供了更轻松、更准确的层流分离和重新连接模拟。这使得空气动力学和气动声学仿真适用于快速增长的市场，包括城市空中交通和风能。

什么是层流分离？

在计算流体的物理特性时，有两种基本类型的流动——层流和湍流。层流是平稳的，避免了流体“片”之间的混合，而湍流是混乱的。单独模拟一种类型的流动是一回事，但是在层流和湍流区域之间的过渡处会发生什么？

这种转变至关重要的一个常见位置是相对缓慢移动的螺旋桨或风扇叶片周围，例如电动垂直起降 （eVTOL） 飞机和风力涡轮机上的叶片。这些的速度和音阶意味着它们的和弦雷诺数相对较低，低于 1 百万。这可能导致复杂的边界层行为 - 前缘上的层流分离，在层流分离气泡中穿过叶片，然后在后缘重新连接。

图 1：模拟小螺旋桨叶片上的流动，显示前缘上的层流、后缘附近附着的湍流以及两者之间的层流分离气泡 （LSB）。

这不仅影响螺旋桨的空气动力学——叶片两侧气流相遇和重新连接的界面也是叶片噪声的主要来源之一。精确的噪声仿真还需要对层流分离和重新连接进行建模。

层流分离模拟的应用

eVTOL 飞行器对于开发城市空中交通的新解决方案很感兴趣。四轴飞行器式无人机已经被广泛使用，但大型车辆具有从物流到空中出租车的潜力。要使这些项目取得成功，它们需要能够在建筑环境中安全运行，同时还要足够安静，以便当地居民能够容忍。

eVTOL 船用螺旋桨通常旋转得相对较慢（至少与更传统的飞机相比）。这些螺旋桨叶片运行状态中的雷诺数足够低，以至于可以形成层流分离气泡。要了解推力、阻力和噪声等效应，需要对这些效应进行精确建模。

风力涡轮机是发生层流分离的另一个重要应用。风力涡轮机叶片的旋转速度非常慢——通常只有几 RPM——这意味着它们的雷诺数相对较低。风力涡轮机的层流分离会产生相当大的噪音。风力涡轮机噪声对当地社区有负面影响，是反对新风电场项目的主要原因之一，因此了解层流分离和重新连接对于成功设计至关重要。

层流仿真和湍流模型扩展

PowerFLOW长期以来一直是空气动力学和气动声学模拟的行业标准，这要归功于其功能，例如自动网格生成、自动化和可扩展性，这些功能加快了模拟设置，以及强大的基于粒子的求解器与非常大涡模拟（VLES）湍流模型。为了模拟过渡效果，用户以前必须手动将跳闸元素添加到模型中，以复制分离效果。然而，一项新技术SIMULIA （模拟）PowerFLOW 提供了一种快速准确的自动模拟层流分离的方法：PowerFLOW VLES 的湍流模型扩展。

PowerFLOW 使用 Lattice Boltzmann 方法计算流体流动，特别是 VLES 方法，该方法非常适合湍流。新版本扩展了 Lattice Boltzmann VLES 方法，以涵盖层流到湍流的转变，因此这些也可以在同一仿真中捕获。这可以模拟来自层流-湍流过渡状态的气流和噪声。

湍流模型扩展的准确性已经通过实验验证了。建造了一个螺旋桨并旋转，使基于和弦的雷诺数约为 7×104。在这个速度下，观察到一个明显的层流分离气泡。如图 2 和图 3 所示，PowerFLOW 与叶片周围测得的速度和噪声非常吻合。带有过渡模型扩展的 VLES 比使用几何 “行程” 强制分离更准确。有关这方面的更多信息，您可以在《航空航天科学与技术》第 130 卷，2022 年 11 月107953的“过渡边界层状态中转子气动声学的格子-玻尔兹曼计算”中找到已发表的完整结果。

图 2：通过实验测量（左）并使用 PowerFLOW 中的 VLES 计算（右）的翼型周围的时间平均速度大小。

图 3：测量和模拟的面内 （Mic. 7） 和面外 （Mic. 11） 观察者的远场噪声。

结论

当雷诺数相对较低时，层流效应可能很重要。这会产生层流分离气泡和增加的噪音。这种现象的常见示例包括 eVTOL 转子和风力涡轮机叶片周围的流动。模拟这种转变历来具有挑战性。

PowerFLOW VLES（甚大涡模拟）湍流模型扩展可以高效、准确地解决层流和湍流之间的过渡。空气动力学和气动声学仿真都可以利用湍流模型扩展来加快仿真设置或仿真以前无法建模的场景。