《可壓縮湍流邊界層平均場的解析刻畫》是依託北京大學，由畢衛濤擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：可壓縮湍流邊界層平均場的解析刻畫
- 依託單位：北京大學
- 項目負責人：畢衛濤
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
可壓縮湍流邊界層廣泛存在於航空航天和動力工程中，由於存在馬赫數、雷諾數、壁面溫度等多種效應的耦合，其平均場行為和物理機制非常複雜，制約了人們提出有效的定量理論用於工程設計和湍流數值計算。本項目將發展可壓縮湍流邊界層平均場的解析理論。這一目標立足於申請人及所在團隊近年在不可壓縮壁湍流的結構系綜動力學、可壓縮湍流邊界層的馬赫數效應及溫度平均場的定量刻畫等方面取得的創新性成果。其中結構系綜動力學理論基於壁湍流的普適對稱性原理，獲得了不可壓縮規範壁湍流平均場在任意雷諾數下的解析表達。本項目將通過對可壓縮湍流邊界層直接數值模擬數據的分析，發展可壓縮湍流邊界層的結構系綜動力學。通過建立結構系綜動力學序參量的物理模型，獲取適用於各種流動控制參數的可壓縮湍流邊界層速度及溫度平均場的解析表達。並據此對Morkovin假設、雷諾比擬等理論的物理基礎和成立條件進行研究。本項目還將開展壓縮拐角的結構系綜動力學研究
結題摘要
可壓縮湍流邊界層（CTBL）廣泛存在於航空航天和動力工程等領域。相對於不可壓縮湍流邊界層，CTBL耦合了雷諾數、馬赫數和壁面溫度效應，複雜程度有極大提升。如果進一步考慮到工程中常見的壓力梯度等效應，CTBL呈現出更加複雜多樣的流動形態。這對認識CTBL的物理機制、發展面向工程套用的預測模型都提出了巨大挑戰。本項目基於近年來結構系綜理論在不可壓縮湍流邊界層研究中取得的突出成果，發展規範CTBL（即平板和零壓力梯度CTBL）的解析理論，並探索將新理論拓展到有壓力梯度效應的CTBL。項目取得的研究成果主要有：1. 建立和完善了規範CTBL和壓縮拐角的大規模直接數值模擬資料庫。規範CTBL資料庫涵蓋了從超音速到高超音速，從冷壁到熱壁（以及有流向溫度突變的情況）、從低雷諾數到中等雷諾數的較寬廣的參數範圍；壓縮拐角資料庫包括了一系列拐角角度的變化。這些資料庫為提煉CTBL的物理原理和定量規律，考核、分析和改進CTBL的工程計算模型奠定了數據基礎。2. 構建了預測規範CTBL平均場的新解析理論。新理論將馬赫數、壁溫和雷諾數效應對規範CTBL的影響通過長度序函式中具有顯著物理意義和簡單定量規律的參數的變化反映出來，能夠提供流場速度和物性參數分布的高精度（典型誤差約1%）理論預測，以及摩阻、熱流、邊界層厚度等積分量的預測。3. 套用新理論在CTBL研究的一系列理論問題上取得了進展，包括提出了新的不變速度理論，超越了經典的van Driest變換及其衍生變換；獲得了Morkovin假設的新的物理解釋和定量表達；提出了新的幾何雷諾比擬概念等。4. 研究了具有壓力梯度的壓縮拐角恢復邊界層，提出了雷諾應力和湍熱流的beta分布模型，指出其物理原理在於固壁和邊界層外邊界的對稱性約束。以上成果從理論上確認和發展了結構系綜理論關於對稱性約束的思想和研究思路；新理論也為面向工程套用的湍流模型研究奠定了理論基礎，有望在模型的考核、分析、修正以及構建新模型等方面發揮指導作用，從而實現理論與套用研究的密切結合。
