）IRECT NUMERICAL SIMULATION OF DECAYING COMPRESSIBLE ISOTROPIC TURBULENCE

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等.研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量（压缩）耗散率所占比率也显著增长.标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高（p≥5）时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立.对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的间歇性要强于横向湍流脉动.     

各向同性湍流内颗粒碰撞率的直接模拟研究

对 Re_{lambda } 约为51均匀各向同性湍流内 St_{k}(=tau_{p}/tau_{k}) 为 0 ~10.0 的有限惯性颗粒的碰撞行为进行了直接数值模拟,以研究湍流对有限惯性颗粒碰撞的影响. 结果表明,具有一定惯性颗粒的湍流碰撞率完全不同于零惯性的轻颗粒 (St_{k}=0) 和可忽略湍流作用的重颗粒 (St{k} to infty) , 其变化趋势极其复杂：在Stk为 0~1.0 之间,颗粒的碰撞率随 St 的增加而近乎线性地剧烈增长,在Stk≈1.0 3.0(对应的StE=τp/Te≈0.5)附近,颗粒碰撞率出现两个峰值,在Stk>3.0以后,颗粒的碰撞率随惯性增大而逐渐趋向于重颗粒极限;在峰值处,有限惯性颗粒的平均碰撞率的峰值较轻颗粒增强了30倍左右. 为进一步分析湍流作用下颗粒碰撞率的影响因素,分别使用可能发生碰撞的颗粒对的径向分布函数和径向相对速度来量化颗粒的局部富集效应和湍流掺混效应,表明 St_{k} approx 1.0 时局部富集效应最为强烈,使得颗粒的碰撞率出现第1个峰值;湍流掺混效应则随着颗粒Stk的增大而渐近增大;局部富集和湍流掺混联合作用的结果,使得颗粒碰撞率在 St_{k} approx 3.0 附近出现另一个峰值.     

基于直接数值模拟的可压缩湍流模型评估和改进

对来流Mach数2.25和6的平板边界层湍流进行了直接数值模拟, 并通过与理论、实验及他人计算结果的对比对数值结果进行了验证. 基于直接数值模拟得到的湍流数据库, 对常用的湍流模型进行了先验评估. 评估的湍流模型有k-εvarepsilon模型(包括标准k-εvarepsilon 模型、可实现的k-εvarepsilon模型及低Reynolds数k-εvarepsilon模型)、SA模型及BL模型. 结果显示, 对于Mach2.25的平板边界层, 可实现的k-εvarepsilon 模型及低Reynolds 数k-εvarepsilon模型具有较好的预测能力, 而标准k-εvarepsilon模型预测的湍流黏性系数偏高; SA模型在边界层内层预测准确度较高, 而在外层预测值偏高. 而对于Mach6的平板边界层, k-εvarepsilon模型及SA模型预测的湍流黏性系数均偏高, 尤其是标准k-εvarepsilon模型. 对于Mach6的平板边界层, BL模型低估了内-外层交界位置, 造成湍流黏性系数预测值严重偏低. 作者通过修改模型系数及内-外层交界位置对BL模型进行了修改, 修改后模型预测的湍流黏性系数与DNS给出的值吻合较好.     

激波和湍流相互作用的数值模拟

本文综述了关于激波和湍流相互作用数值模拟的近期研究进展, 主要包括激波和均匀各向同性湍流、激波和湍流边界层、激波和射流以及激波和尾迹的相互作用. 激波和湍流相互作用特性受到诸多因素的影响,如激波的强度、位置、形状和流动边界以及来流的湍流状态和可压缩性等. 激波和湍流的相互作用会引起流场结构、激波特性和湍流统计特性的显著变化. 最后简要讨论了激波和湍流相互作用数值研究需要关注的一些问题.      

可压缩均匀剪切湍流的二阶矩模拟

基于对可压缩湍流中脉动压力场和脉动速度场特征的理论分析以及ＤＮＳ结果,建立了可均匀剪切湍流中压力－变形率关联的压缩性修正模式,应用这个模式,加上Ｓａｒｋａｒ等建立的脉动体胀率项（ｄｉｌａｔａｔｉｏｎａｌ ｔｅｒｍｓ）的模式,预测可压缩均匀剪切湍流随时间的发展,所得雷诺应力各是性张量的平衡值与Ｂｌａｉｓｄｅｌｌ等的ＤＮＳ数据非常一致。这个模式准确地预测出均匀剪切湍流中压缩性导致的雷诺应力结构的“流向     

可压缩燃烧反应转捩混合层直接数值模拟

针对三维时间发展可压缩氢/氧非预混燃烧反应平面自由剪切混合层,采用5阶迎风/6阶对称紧致混合差分格式以及3阶显式Runge-Kutta时间推进方法,直接数值模拟了伴随燃烧产物生成和反应能量释放, 流动受扰动激发失稳并转捩的演化过程. 在转捩初期, 获得了${itLambda}$涡、马蹄涡等典型的大尺度拟序结构,观察到了流动失稳后发生双马蹄涡三维对并的现象, 大尺度结构呈较好的对称性.在流动演化后期, 大尺度结构逐次破碎形成小尺度结构, 混合层进入转捩末期,呈明显的不对称性.      

高超声速激波湍流边界层干扰直接数值模拟研究

高超声速激波与湍流边界层干扰会导致飞行器表面出现局部热流峰值,严重影响飞行器气动性能和飞行安全. 针对高马赫数激波干扰问题,以往数值研究多采用雷诺平均方法,而在直接数值模拟方面的相关工作较为少见. 开展高超声速激波与湍流边界层干扰的直接数值模拟研究,有助于进一步提升对其复杂流动机理认识和理解,同时也将为现有湍流模型和亚格子应力模型的改进提供理论依据. 采用直接数值模拟方法对来流马赫数6.0,34°压缩拐角内激波与湍流边界层的干扰问题进行了研究. 基于雷诺应力各向异性张量,分析了高超声速湍流边界层在压缩拐角内的演化特性. 通过对湍动能输运方程的逐项分析,系统地研究了可压缩效应对湍动能及其输运的影响机制. 采用动态模态分解方法,探讨了干扰流场的非定常运动历程. 研究结果表明,随着湍流边界层往下游发展,近壁湍流的雷诺应力状态由两组元轴对称状态逐渐演化为两组元状态,外层区域则由轴对称膨胀趋近于各向同性. 干扰流场内存在强内在压缩性效应(声效应),其对湍动能输运的影响主要体现在压力--膨胀项,而对膨胀--耗散项影响较小. 高超声速下压缩拐角内的非定常运动仍存在以分离泡膨胀/收缩为特征的低频振荡特性,其物理机制与分离泡剪切层密切相关.      

倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟

雷诺切应力是壁湍流高摩擦阻力的重要来源, 有理论认为可以通过壁面生成负雷诺应力(数值上为正)的方式来削弱湍流流场中雷诺应力的分布, 以此获得流动减阻. 而通过对雷诺平均运动方程的法向二次积分, 可以发现壁面生成正雷诺应力(数值上为负)对壁面摩擦阻力系数才有负贡献. 文中在湍流边界层流动的控制区域下边界设置一系列倾斜狭缝, 利用该装置通过周期性吹吸的方法产生壁面生成正(负)雷诺应力, 并采用直接数值模拟方法考察和验证上文提到的减阻理论. 文中采用的湍流边界层流动模型, 其流动雷诺数(基于外流速度及动量损失厚度)从300 发展到860. 文中通过多组数值模拟算例, 考察了射流强度和频率对壁面摩擦阻力系数的影响, 并对比了壁面生成正或负雷诺应力对流动的影响. 研究表明, 壁面生成正雷诺应力控制的减阻率能达到3.26, 而壁面生成负雷诺应力控制的减阻效果较壁面生成正雷诺应力控制的要差; 壁面生成的正雷诺应力对壁面摩擦阻力有负贡献, 而壁面生成的负雷诺应力对壁面摩擦阻力有正贡献; 通过考察控制的收支比, 发现控制方案不能获得能量净收益.

     

湍流横掠固定颗粒的全尺度直接数值模拟

气固两相流模拟中,当固相尺度接近或大于Kolmogorov尺度时,普通的点源模型将不再适用,固体相的体积效应和表面效应将对流体相产生显著的影响。通过采用直接数值模拟方法,结合内嵌边界方法对湍流中不同湍流强度流体横掠大于Kolmogorov尺度的固相颗粒进行了全尺度模拟,讨论分析了在两种湍流度下方形颗粒对湍流的调制影响以及颗粒的受力情况。     

可压缩自由剪切流混合转捩大涡模拟

针对湍流气动光学效应与冲压发动机气体混合机理问题,开展了可压缩混合层流动空间模式大涡模拟和时间模式直接数值模拟研究.通过对流场(包含亚/亚混合、超/亚混合两种情况)失稳、转捩直至完全湍流的空间发展过程的研究表明,对流Mach数0.4状态下流场失稳以二维最不稳定扰动为主;非线性发展中,基频涡对并及展向涡撕裂主控流动转捩,流场发生混合转捩;转捩后脉动流场基本达到局部各向同性,此时,湍流Mach数低于0.3,流动压缩性可近似忽略.     

可解尺度各向同性湍流的标度律

针对大涡模拟, 首先利用 EDQNM 能谱和传输谱理论, 在3种不同的过滤器下分别计算可解尺度各向同性湍流的二阶、三阶结构函数标度律, 并通过速度差扭率验证了可解尺度湍流的 ESS 理论. 研究了该可解尺度湍流标度律及速度差扭率与多个因素的关系, 这些因素包括: 两点距离与过滤尺度的比、大涡模拟雷诺数和过滤器类型. 结果显示, 当两点距离位于过滤尺度量级时或大涡模拟雷诺数较小时, 可解尺度标度律与未过滤流场的标度律相差很大进而必须加以修正, 而且可解尺度流场也不再总是满足 ESS 理论进而对应的速度差扭率也需要修正. 然后通过3个例子介绍了这些结果在大涡模拟亚格子模型中的应用.      

可压缩流场中气泡脉动数值模拟

在应用边界元方法对气泡动力学的研究中, 绝大多数模型是建立在不压缩势流理论基础之上, 针对可压缩流场中气泡运动特性的研究很少. 从波动方程出发, 分别在气泡运动前期和后期对波动方程进行简化, 得到气泡运动局部和全局简化方程, 采用双渐进方法对简化方程进行匹配, 提出了考虑流场可压缩性的非球状气泡运动模型. 该模型的计算结果与Prospertti 等的解析结果吻合很好, 气泡脉动最大半径和内部最大压力随气泡脉动逐渐减小. 基于该模型对比了自由场中药包爆炸考虑可压缩性与不考虑可压缩性的计算结果, 发现考虑可压缩性气泡射流速度较小, 随后基于该模型计算了刚性边界下气泡的运动特性.     

均匀各向同性湍流的频率波数能量谱

对均匀各向同性湍流的频率波数能量谱进行了初步研究,得出均匀各向同性湍流中能量随时间、空间尺度分布的解析表达式,并运用直接数值模拟的方法对理论预测进行验证．数值结果很好地支持了理论预测：横扫速度是决定频率波数能量谱的特征量．     

二维混合层拟序结构的直接数值模拟

本文是在文[1]的基础上,引用Cain等人(1981)提出的映射函数将无穷远的边界变换到有限距离处,用伪谱方法对N-S方程组进行直接数值模拟,研究时间发展的二维混合层的不稳定性,再现了大涡的卷起,涡对的合并与撕裂以及三个涡、四个涡之间的相互作用过程,并将过程进行了动态显示。     

空间发展圆管转捩的直接数值模拟

利用直接数值模拟研究圆管流动中由局部壁面引入的周期性吹吸(PSB)扰动沿流向的空间发展,流动的雷诺数Re选定为3000.在临界幅值的PSB扰动下,在较短的圆管内,圆管中的扰动沿流向快速增长,在足够长的圆管内,扰动沿流向持续增长发生转捩,流动发展到湍流阶段.     

湍流最高激发态的局部结构及其绝对标度律

通过对湍流层次结构模型中提出的最高激发态的进一步研究发现,最高激发态 存在绝对标度律,且该绝对标度律是由信号中最强耗散涨落的局部结构产生的,并由此推测 出局部强间歇结构一般具有绝对标度的结论.     

圆管湍流减阻电磁力控制的直接数值模拟

利用直接数值模拟研究了圆管湍流减阻的电磁力控制问题. 在圆管表面布置一层交替排 列的条形电极和磁极,施加电压后在导电的流体介质中产生周向随时间变化的电磁力,通过 改变电磁力的大小和变化周期等参数可以使阻力大幅减少. 研究减阻率和控制参数的 关系,并研究了电磁力减阻的机理. 电磁力控制存在最优周期,阻力最大降 低24.2{\%}; 电磁力控制抑制了流向和法向速度的脉动,而周向脉动速度随振荡周 期的增大而增大.