什么是层流分离？
在计算流体物理时，有两种基本的流动类型 -层流和湍流。层流是平滑的，避免了流体“片”之间的混合，而湍流是混乱的。单独对一种类型的流动进行建模是一回事，但在层流和湍流区域之间的过渡时会发生什么？
这种转变至关重要的一个常见地方是移动速度相对较慢的螺旋桨或风扇叶片，例如电动垂直起降 (eVTOL) 飞行器和风力涡轮机。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，然后在后缘重新附着。
图 1：小型螺旋桨叶片上的模拟流动，显示前缘上的层流、后缘附近的附着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性能，叶片两侧气流相遇并重新连接的界面也是叶片噪音的主要来源之一。准确的噪声模拟还需要对层流分离和重新附着进行建模。
层流分离模拟的应用
eVTOL 飞行器对于开发城市空中交通新解决方案很有意义。四轴飞行器型无人机已被广泛使用，但较大的车辆具有从物流到空中出租车等多种用途的潜力。为了取得成功，它们需要能够在建筑环境中安全运行，同时也足够安静，以便当地居民能够忍受。
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状态下的雷诺数足够低，可以形成层流分离气泡。了解推力、阻力和噪声等效应需要准确地建模。
风力涡轮机是发生层流分离的另一个重要应用。风力涡轮机叶片旋转非常缓慢——通常只有几转/分——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产生负面影响，也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。
层流模拟和湍流模型扩展
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、自动化和可扩展性等功能，可加快仿真设置速度，以及具有超大涡流仿真 (VLES) 湍流模型的强大的基于粒子的求解器。为了模拟过渡效果，用户以前必须手动将行程元素添加到模型中以复制分离效果。然而， SIMULIA PowerFLOW中的一项新技术提供了一种快速、准确的自动模拟层流分离的方法：将湍流模型扩展到 PowerFLOW VLES。
PowerFLOW 使用格子玻尔兹曼方法来计算流体流量，特别是 VLES 方法，该方法非常适合湍流。新版本扩展了格子玻尔兹曼 VLES 方法以涵盖层流到湍流的转变，因此这些也可以在同一模拟中捕获。这可以模拟来自层流-湍流转变状态的气流和噪声。
实验验证了湍流模型扩展的准确性。螺旋桨被构造并旋转，使得基于弦的雷诺数为7×10 4量级。在此速度下，观察到明显的层流分离气泡。如图 2 和图 3 所示，PowerFLOW 与测量的叶片周围速度和噪声非常一致。
图 2：机翼周围的时间平均速度大小通过实验测量（左）并使用 PowerFLOW 中的 VLES 计算（右）。
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并增加噪音。这种现象的常见例子包括电动垂直起降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）湍流模型扩展有效且准确地解决了层流和湍流之间的过渡。空气动力学和气动声学模拟都可以利用湍流模型扩展来加速模拟设置或模拟以前无法建模的场景。
