不确定性CFD模拟方法及其应用研究

【摘要】随着计算机技术的迅猛发展,CFD数值模拟技术已经广泛应用于航空、航天、气象、船舶、水利、化工、建筑、机械、海洋、环境等领域。但现在所采用的所有CFD软件均是在确定的几何条件和边界条件下进行确认的,且所有的模拟结果都是基于确定性假设。而在真实物理条件下会存在大量的不确定因素,比如边界条件的不确定性,几何模型的不确定性,气体物性参数的不确定性等。这些不确定性使得基于确定性模拟结果做出结论存在潜在的失败风险。在工业企业对实际产品的应用中,就可能会提高所研发产品失效的可能性；在学术研究中,就可能会带来学术结论谬误的风险,因此需要将这些不确定因素考虑到模拟过程中去。目前的不确定性分析工作主要关注于不确定性如何在流场中传播,即输入参数的不确定性对输出参数的影响,并且在研究中假设不确定性变量是服从一定已知概率分布的随机变量。本文作者主要采用嵌入式多项式混沌(Intrusivepolynomialchaos,PC)方法和非嵌入式概率配置点(Non-intrusiveprobabilisticcollocation,NIPRC)方法两种不确定性方法来进行不确定性CFD模拟与分析。首先用随机方腔流动算例验证了多个不确定变量条件下的两种方法,并进行了流动现象分析及各方法对比。结果表明,嵌入式多元多项式混沌法可以有效地模拟不确定性在流场中的传播,两个输入不确定量的耦合作用削弱了不确定性因素对于结果的影响。在不确定量个数较少的情况下,与传统的蒙特卡洛方法(MonteCarlo,MC)相比,PC体现出了收敛速度快、精度高的优势。NIPRC不需要改变原有的确定性求解器,比较适用于复杂几何的流场分析。采用二维方腔驱动流的算例对NIPRC、PC和MC进行了比较。结果表明,在考虑单个及多个不确定量时,NIPRC均二阶即收敛。第四章对二维风力机NREL_S809翼型进行了攻角为随机变量的不确定性CFD模拟。结果表明,在小攻角条件下,攻角不确定性引起的压力系数不确定在翼型前缘处表现的较为明显；而在失速攻角条件下,这种不确定性的影响不仅表现在前缘,还表现在中部和尾缘处。以水平轴风力机NRELPhaseⅥ为研究对象,进行了来流风速为随机变量的不确定性分析,研究分析了在四个特征风速下风力机由于来流风速的随机性而引起的气动性能和流场参数的变化,结果表明,来流风速的不确定会在叶根附近引起压力的较大波动,这种影响从叶根到叶尖逐渐减弱。在低风速工况下,由于叶片表面未发生分离,压力变化的极大值区域出现在吸力面前缘。随着风速的增加和流动分离的发生,变化量极大值区域扩展到了吸力面尾缘处,甚至整个吸力面上,压力变化的极大值区域离开叶片表面,这导致了叶片载荷对于风速不确定的低敏感性,分离涡所在的区域对来流风速的不确定更为敏感。第五章以2.5MW风力机DF90为对象研究了由于风力机叶片安装角的随机误差而导致的失谐问题。将风力机的某一叶片安装角作为随机变量,讨论此失谐叶片对流场及风力机气动特性产生的影响。结果表明,由于安装角误差导致的失谐叶片会影响其上下游叶片绕流场,且对下游叶片绕流场的影响更明显。安装角的正负偏差引起的叶片载荷变化幅度具有不对称性,且失谐叶片的自身载荷变化方向与其上下游叶片载荷变化方向相反。第六章用NIPRC方法分析了NASA转子37叶顶间隙为不确定变量时,气动性能及流场的变化。叶顶间隙高度作为服从β布的随机变量,分别进行了均匀间隙、前缘间隙不确定、尾缘间隙不确定及前尾缘均不确定四种情况的计算,得到了转子不同工况下总体气动性能及流道内流动结构的随机特性。结果表明,均匀叶顶间隙情况下,随着出口背压的减小,由叶顶间隙不确定性引起的流量、效率和压比变化量减小。流场中马赫数变化量的极大值出现在叶顶间隙泄漏流动区域、各径向截面激波和分离区附近；在非均匀叶顶间隙情况下,当流量小于设计工况流量时,同时考虑前缘间隙和尾缘间隙不确定性时各气动性能的标准差大于单独考虑两者时的标准差,在高流量工况下,前缘间隙的不确定是引起各气动性能变化的决定性因素。
【作者】刘智益；
【导师】康顺；
【作者基本信息】华北电力大学，热能工程，2014，博士
【关键词】多项式混沌；概率配点法；不确定性分析；数值模拟；叶顶间隙；风力机；

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