在PowerFLOW中模拟层流分离的新方法

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，而湍流是混沌的。单独对一种类型的流动进行建模是一回事，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地方是相对缓慢移动的螺旋桨或风扇叶片，例如在电动垂直起降 （eVTOL） 飞行器和风力涡轮机上发现。它们的速度和规模意味着它们的弦雷诺数相对较低，低于一百万。这可能导致复杂的边界层行为——前缘的层流分离，在层流分离气泡中穿过叶片，然后在后缘重新附着。

eVTOL飞行器在开发城市空中交通的新解决方案方面很有意义。四轴飞行器型无人机已经得到广泛应用，但大型车辆具有从物流到空中出租车等各种用途的潜力。为了使这些成功，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飞行器螺旋桨通常旋转相对较慢（至少与更传统的飞机相比）。这些螺旋桨叶片运行制度中的雷诺数足够低，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。与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附着对于成功的设计至关重要。

PowerFLOW长期以来一直是空气动力学和气动声学仿真的行业标准，这要归功于自动网格生成、自动化和可扩展性（可加快仿真设置）等功能，以及具有超大涡模拟（VLES）湍流模型的强大基于粒子的求解器。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，SIMULIA PowerFLOW 中的一项新技术为自动模拟层流分离提供了一种快速、准确的方法：PowerFLOW VLES 的湍流模型扩展。

PowerFLOW使用莱迪思玻尔兹曼方法计算流体流量，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，因此也可以在同一仿真中捕获这些转变。这可以模拟层流-湍流过渡状态的气流和噪声。

湍流模型扩展的准确性已通过实验验证。螺旋桨被建造并旋转，使基于弦的雷诺数约为 7×104。在这种速度下，观察到明显的层流分离气泡。如图 2 和图 3 所示，PowerFLOW 对叶片周围测得的速度和噪声具有出色的一致性。具有过渡模型扩展的 VLES 比使用几何“跳闸”强制分离更准确。（过渡边界层状态下转子气动声学的 Lattice-Boltzmann 计算，有关这方面的更多信息欢迎联系）。

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噪音。这种现象的常见例子包括eVTOL旋翼和风力涡轮机叶片周围的流动。传统上，模拟这种转变是具有挑战性的。

PowerFLOW VLES（甚大涡模拟）湍流模型扩展可高效、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。

达索系统公司是法国知名的工业软件企业，专注于3D设计软件、数字化实体模型和产品生命周期管理等领域。其软件解决方案广泛应用于航空航天、汽车、建筑等行业，为企业数字化转型和创新发展提供有力支持。达索系统致力于以技术创新引领工业进步，不断推动行业发展。