在许多情况下，层流和湍流之间的过渡对于理解流体的行为至关重要，如EVTEL螺旋桨和风力涡轮叶片。以前，这种转换很难精确模拟.将该方法推广到电力流大涡流模拟(VLES)方法，为层流分离和再附着的模拟提供了更简单、更准确的方法。这使得空气动力学和空气声学模拟在迅速增长的市场中的应用，包括城市空气流动性和风能。

什么是层状分离?

在计算流体的物理性质时，有两种基本的流动类型- 层流 ，以及 湍流流 .层流是平滑的，避免在流体的"片状"之间混合，而湍流是混沌的。一个类型的流本身建模是一回事，但是在层流和湍流区域之间的过渡中会发生什么?

这种转变至关重要的一个常见地方是相对缓慢的螺旋桨或风扇叶片，如电动垂直起降机和风力涡轮机。它们的速度和规模意味着它们有一个相对较低的弦雷诺数，低于一百万。这可能会导致复杂的边界层行为--在前缘的层流分离，在一个 层状分离泡 ，然后在后缘重新附着。

图1：一个小型螺旋桨叶片上的模拟流动，显示在前缘的层流，在后缘附近附着的湍流流，以及两者之间的层流分离泡。

这不仅影响了螺旋桨的空气动力学--叶片两侧的气流相遇和重新连接的界面也是叶片噪音的主要来源之一。精确的噪声模拟也要求对层间分离和再连接进行建模。

层流分离模拟的应用

EVTEL飞行器对于开发城市空气流动性的新解决方案具有重要意义。四型无人机已经被广泛使用，但大型车辆有可能被用于从后勤到空中出租车等各种用途。他们要想取得成功，就必须能够在建筑密集的环境中安全地运作，同时还必须保持足够的安静，以便当地居民能够容忍。

EVTEL飞行器螺旋桨通常旋转相对较慢(至少比更传统的飞机)。在螺旋桨叶片的工作状态下，雷诺数很低，足以形成层流分离气泡。了解诸如推力、阻力和噪音等影响需要精确建模。

风力涡轮机是另一个重要的应用在层流分离发生。风力涡轮叶片的旋转非常缓慢--典型的是只有几分钟的转速--这意味着它们的雷诺数相对较低。风轮机的层流分离会产生相当大的噪音。风轮机噪声对当地社区有负面影响，是新风电厂建设的主要原因之一，因此，理解层流分离和重接是设计成功的关键。

层流模拟与湍流模型扩展

长期以来，动力流一直是空气动力学和空气声学模拟的行业标准，这归功于诸如自动网格生成、自动化和可伸缩性等功能，这些功能加速了模拟装置的设置，以及一个功能强大的基于颗粒的模拟(VLS)大涡流模型解决器。为了模拟过渡效应，用户以前不得不手动地向复制分离效应的模型添加跳转元素。不过，一种新技术 模拟 动力流提供了一种快速而准确的方法来自动模拟层流分离：湍流模型扩展到动力流。

动力流用晶格波耳兹曼方法计算流体流，特别是VLE方法，它非常适合于湍流流。新的版本扩展了晶格博尔兹曼VLES方法，以覆盖层状-扰动过渡，从而也可以在同一模拟中捕捉到这些。它既能模拟气流，也能模拟来自 层流转变 政权。

通过实验验证了湍流模型扩展的准确性.一个螺旋桨的构造和旋转使以弦为基础的雷诺数约为7x10。 4 .在这种速度下，观察到一个明显的层流分离气泡。如图2和3所示，动力流提供了极好的一致的测量速度和噪音的叶片周围。使用过渡模型扩展的VLES比使用几何"行程"来强迫分离更精确。关于这方面的更多信息，你可以在" 过渡边界层状态下转子气动声学计算 "《航空航天科学和技术》，第130卷，2022年11月，107953。

图2：用动力流中的VLS(右)计算的实验(左)机翼周围的平均速度幅度。

图3：飞机内的远场噪声。7)和飞机以外的飞机。11)观察员，测量和模拟。

结论

当雷诺数相对较低时，层流效应可能很重要。这会产生层状分离气泡和增加噪音。这一现象的常见例子包括围绕EVTEL转子和风力涡轮叶片的流动。传统上，模拟这一过渡一直具有挑战性。

动力流VLES(大涡流模拟)模型的扩展有效、准确地解决了层流与湍流之间的过渡问题。空气动力学和空气声学模拟都可以利用湍流模型的扩展来加速模拟设置或模拟以前无法建模的场景。

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