第36卷第3期 北京科技大学学报 Vol.36 No.3 2014年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2014 超音速射流流场中湍流模型 赵飞，张延玲四，朱荣，王慧 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhangyanling@(metall.usth.edu.cn 摘要为了确定适用于超音速射流流场数值模拟的湍流模型，首先从理论上分析常用的五种湍流模型之间的差异及其适 用范围：其次，采用五种湍流模型，分别对不同马赫数下超音速射流流场进行数值模拟，将数值模拟结果与实测值和理论值进 行对比分析.结果表明：剪切压力传输kw模型与其他模型相比，通过对输运方程的修正，保证其在计算射流流场时具有较高 的准确性：在喷管内部和外部射流流场的模拟中，剪切压力传输一ω模型的计算结果与理论值和实测值具有较高的吻合度， 在五种湍流模型中最适合于超音速射流流场的数值模拟研究. 关键词超音速射流：流场：模拟：湍流模型 分类号0354.3 Turbulence model in supersonic jet flow field ZHAO Fei,ZHANG Yan-ling,ZHU Rong,WANG Hui State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhangyanling@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT To determine a suitable turbulence model for the numerical simulation of supersonic jet flow fields,the differences and application scopes of five turbulence models were analyzed theoretically first,and then supersonic jet flow fields with different Mach numbers were numerically simulated using these five turbulence models.The numerical simulation results were comparatively analyzed with the measured and theoretical values.It is shown that compared with other models,the shear stress transmissionw(SST) model has a relative higher accuracy in calculating the supersonic jet flow fields through modifying the transport equation.In the simu- lation of flow fields inside and outside the nozzle,the simulation result of the SST model is more in agreement with the measured and the theoretical values.Among the five turbulence models,the SST kw model is most suitable for the numerical simulation of the supersonic jet flow fields. KEY WORDS supersonic jet;flow fields:simulation:turbulence models 超音速射流在现代工业的发展中扮演着越来越领域，而是逐步扩展到其他领域：在材料检测领域， 重要的角色，成为某些行业不可或缺的部分.例如， 超音速射流可以创造出某些极端特殊环境，为特殊 在航空航天领域，超音速射流喷管是飞机等飞行器环境下材料和构件的检测提供一种重要的手段：在 发动机的重要组成部分，是为飞行器提供动力的关 材料表面防护领域，超音速射流成为材料表面冷喷 键装置：在冶金领域，通过超音速射流氧枪为金属熔 涂的新方法，以经济和高效地方式防护和强化零件 池供氧，并与熔池中的钢液和熔渣相互作用，进行流 表面的物理化学性能. 动、传热、传质和化学反应，完成钢种的治炼和生产. 许多学者已经开展了超音速射流流场特性的研 随着超音速射流技术的不断发展，其应用范围也越 究工作.为了节省研究成本和加快研究速度，多数 来越广，不仅仅局限于传统的航空航天领域和治金 学者采用数值模拟的方法对超音速射流进行研究： 收稿日期：2012-12-31 基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(2011YQ14014505) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.014:http://journals.ustb.edu.cn第 36 卷 第 3 期 2014 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 3 Mar． 2014 超音速射流流场中湍流模型 赵 飞，张延玲，朱 荣，王 慧 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: zhangyanling@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 为了确定适用于超音速射流流场数值模拟的湍流模型，首先从理论上分析常用的五种湍流模型之间的差异及其适 用范围; 其次，采用五种湍流模型，分别对不同马赫数下超音速射流流场进行数值模拟，将数值模拟结果与实测值和理论值进 行对比分析． 结果表明: 剪切压力传输 k--ω 模型与其他模型相比，通过对输运方程的修正，保证其在计算射流流场时具有较高 的准确性; 在喷管内部和外部射流流场的模拟中，剪切压力传输 k--ω 模型的计算结果与理论值和实测值具有较高的吻合度， 在五种湍流模型中最适合于超音速射流流场的数值模拟研究． 关键词 超音速射流; 流场; 模拟; 湍流模型 分类号 O 354. 3 Turbulence model in supersonic jet flow field ZHAO Fei，ZHANG Yan-ling ，ZHU Ｒong，WANG Hui State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: zhangyanling@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT To determine a suitable turbulence model for the numerical simulation of supersonic jet flow fields，the differences and application scopes of five turbulence models were analyzed theoretically first，and then supersonic jet flow fields with different Mach numbers were numerically simulated using these five turbulence models． The numerical simulation results were comparatively analyzed with the measured and theoretical values． It is shown that compared with other models，the shear stress transmission k-ω ( SST k-ω) model has a relative higher accuracy in calculating the supersonic jet flow fields through modifying the transport equation． In the simu￾lation of flow fields inside and outside the nozzle，the simulation result of the SST k-ω model is more in agreement with the measured and the theoretical values． Among the five turbulence models，the SST k-ω model is most suitable for the numerical simulation of the supersonic jet flow fields． KEY WOＲDS supersonic jet; flow fields; simulation; turbulence models 收稿日期: 2012--12--31 基金项目: 国家重大科学仪器设备开发专项资助项目( 2011YQ14014505) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 03． 014; http: / /journals． ustb． edu． cn 超音速射流在现代工业的发展中扮演着越来越 重要的角色，成为某些行业不可或缺的部分． 例如， 在航空航天领域，超音速射流喷管是飞机等飞行器 发动机的重要组成部分，是为飞行器提供动力的关 键装置; 在冶金领域，通过超音速射流氧枪为金属熔 池供氧，并与熔池中的钢液和熔渣相互作用，进行流 动、传热、传质和化学反应，完成钢种的冶炼和生产． 随着超音速射流技术的不断发展，其应用范围也越 来越广，不仅仅局限于传统的航空航天领域和冶金 领域，而是逐步扩展到其他领域: 在材料检测领域， 超音速射流可以创造出某些极端特殊环境，为特殊 环境下材料和构件的检测提供一种重要的手段; 在 材料表面防护领域，超音速射流成为材料表面冷喷 涂的新方法，以经济和高效地方式防护和强化零件 表面的物理化学性能． 许多学者已经开展了超音速射流流场特性的研 究工作． 为了节省研究成本和加快研究速度，多数 学者采用数值模拟的方法对超音速射流进行研究: