柔性覆層湍流邊界層特性及減阻機理數值研究

《柔性覆層湍流邊界層特性及減阻機理數值研究》是依託清華大學，由黃偉希擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：柔性覆層湍流邊界層特性及減阻機理數值研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：黃偉希
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

通過在物體表面貼上一層柔性覆層來抑制湍流達到減阻效果是一種簡單而有潛力的湍流減阻被動控制方法。本項目利用直接數值模擬的手段，對柔性覆層湍流邊界層特性及減阻機理進行研究。（1）柔性覆層湍流邊界層的直接數值模擬方法研究：採用基於動態曲線坐標方法處理任意變形的流體邊界，結合輔助計算法和比例縮放法給出湍流邊界層的入口條件，柔性覆層計算模型包括各向同性和各向異性模型；（2）柔性覆層湍流邊界層的統計特性，近壁相干結構動力學過程及減阻機理研究：採用流場可視化和條件平均的方法，研究柔性覆層對近壁湍流相干結構及湍流自維持機制的影響，通過雷諾應力輸運方程中各項的平衡關係來研究湍流減阻的機理；（3）柔性覆層關鍵材料參數研究：結合單諧波分析，根據數值模擬的結果分析關鍵材料參數對減阻效果的影響，並在均勻材料的研究基礎上設計非均勻材料結構以求改善減阻效果，為實驗研究及實際套用提供參考。

結題摘要

本項目利用直接數值模擬方法對柔性覆層湍流邊界層開展研究，主要進展包括：（1）柔性覆層湍流邊界層的直接數值模擬方法及驗證；（2）柔性覆層湍流邊界層統計特性及關鍵參數研究；（3）湍流邊界層減阻機理研究。取得了以下幾個方面的成果：（1）發展了基於動態曲線坐標的湍流邊界層直接數值模擬方法，並提出了一種基於非貼體格線的罰函式浸沒邊界方法用於運動邊界流動計算；（2）利用單次諧波分析為覆層參數的選取提供參考，發現邊界條件的影響主要體現在對變形量的限制上，並考察了柔性覆層參數的影響，發現表面張力係數的減小會引起較大的表面位移；（3）實現了柔性覆層和湍流邊界層的耦合計算，獲得了流場的瞬時信息和統計特性，通過分析不同邊界條件和覆層參數對湍流特性的影響，發現了阻尼係數的減小會引起壁面摩擦阻力的明顯增加；（4）通過對擬渦能輸運方程的平衡分析，發現了法向渦量對流動控制最先回響的物理機制；（5）通過考察初始擾動的瞬態增長分析了壁面控制對湍流相干結構的影響，加深了對近壁湍流相干結構動力學過程及湍流自維持機制的理解，為進一步提出有效的減阻控制方案提供參考。共發表SCI論文3篇，EI論文3篇，中文核心期刊論文2篇，國際會議論文4篇，其中ISTP收錄1篇，國內會議論文6篇。