《旋轉/剪下可壓縮湍流的機理和模型研究》是依託北京大學，由肖左利擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：旋轉/剪下可壓縮湍流的機理和模型研究
- 外文名：Study on the mechanism and model of rotational/shear compressible turbulence
- 依託單位：北京大學
- 項目負責人：肖左利
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目致力於研究體統旋轉和平均剪下流對可壓縮湍流流場結構，湍流脈動場的統計特性，流場中的被動標量以及慣性粒子的輸運和擴散規律的影響機制。我們利用精度高穩定性強的混合緊緻-加權本質非振盪計算格式實現較高馬赫數和雷諾數旋轉/均勻剪下可壓縮湍流的直接數值模擬，並建立旋轉/剪下可壓縮湍流研究資料庫。我們利用高階迎風格式和中心格式實現旋轉可壓縮槽道湍流的直接數值模擬，並建立相應的研究資料庫。我們利用Helmholtz-Hodge分解和螺旋波分解技術討論可壓縮湍流的剪下和脹壓過程，並研究旋轉和剪下對這兩個過程的影響機制。本項目還基於旋轉不可壓縮湍流的能譜標度率對傳統大渦模擬中亞格子模型的渦粘係數提出理論修正。我們分別給出旋轉Smagorinsky模型和非線性模型，並通過旋轉可壓縮格子湍流和旋轉可壓縮槽道湍流的大渦模擬檢驗模型的有效性。
結題摘要
本項目針對剪下和旋轉條件下的可壓縮湍流的生成機理、輸運特性和亞格線模型等問題開展了直接數值模擬和大渦模擬研究。項目研究內容和取得的關鍵研究成果如下。（1）開發了旋轉／均勻剪下可壓縮兩相湍流並行計算程式，通過直接數值模擬的方法獲得了示蹤粒子及多種不同慣性重粒子的可壓縮兩相湍流資料庫。（2）研究了剪下和旋轉條件下湍動能的生成機理和流場結構特徵。我們的理論模型認為湍流縱向輸運過程是湍動能生成的主要機制。湍動能的生成主要發生在應變區，而不是渦旋區。局部條件分析揭示湍動能的產生與條帶結構密切相關。（3）研究了顆粒的傾向性聚集現象。通過引入顆粒數密度，定量分析了不同慣性顆粒的聚集程度，並通過偏差抽樣、條件平均等方法，研究了顆粒分布與流場結構的關係。隨著湍流馬赫數的增加，流場中的微激波結構數量變多、強度變大，對渦量的增強作用也提高，使得顆粒在低渦量區的濃度下降，在高渦量區的濃度上升。採用混合驅動時，流場中會產生跨越整個計算域的大尺度激波，顆粒分布與流體渦量之間的相關性減小。（4）研究了顆粒擴散的統計特性。顆粒擴散由大尺度流場控制，而純剪下加力使流場中產生的隨機微激波對流場大尺度統計特性的影響很小，因此顆粒擴散的統計特性與不可壓縮湍流類似，湍流馬赫數的影響較小。當採用剪下和脹壓聯合驅動時，橫跨整個計算域的大尺度激波結構使流場表現出強烈的各向異性，顆粒在激波主導方向的擴散減弱，而軌道穿越效應和連續性效應使顆粒在其它方向的擴散增強。（5）研究了旋轉／剪下條件下的可壓縮湍流大渦模擬模型。通過引入物理約束條件，建立了可壓縮湍流（包括旋轉／剪下作用下）的大渦模擬模型，並在可壓縮槽道湍流，壓縮折角的激波邊界層干擾流動，發動機風扇轉子等的氣動流場計算中對新模型的有效性進行了檢驗。總之，本項目研究圓滿完成了項目計畫書中的研究內容，達到了項目研究目標。部分成果已經發表在湍流相關領域的核心期刊。
