湍流大渦模擬中的動態自適應迎風方法

《湍流大渦模擬中的動態自適應迎風方法》是依託中國空氣動力研究與發展中心，由鄧小兵擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：湍流大渦模擬中的動態自適應迎風方法
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：鄧小兵
• 依託單位：中國空氣動力研究與發展中心

項目摘要

本項目從湍流的混沌動力學特性出發，通過分析湍流大渦模擬(LES)中數值誤差和亞濾波尺度模型誤差傳播的動力學行為，提出：至少對基於渦粘性模型的大渦模擬方法而言，在保證可分辨尺度和亞濾波尺度能量傳遞平衡的前提下，可以適當放開對數值誤差控制的要求。以此為基礎，發展一種適用於湍流大渦模擬的動態自適應迎風方法。該方法的基本思想是通過檢測流場中局部湍流小尺度脈動強度，對空間離散格式作動態調整，能夠在加入經典的亞濾波尺度模型的同時，將總的耗散控制在合理的水平，從而平衡可分辨尺度與亞濾波尺度運動之間的能量傳遞。該方法能夠在二階有限體積計算流體力學軟體基礎上，較為準確地實現湍流大渦模擬，對於推動LES方法，尤其是LES/RANS混合算法的實際工程套用具有極大的潛力。

結題摘要

項目的研究背景：傳統觀點認為湍流大渦模擬必須採用高階低耗散數值方法，而主流的工業級計算流體力學軟體都是基於二階有限體積方法，大大限制了這些軟體套用當前工程設計亟需的、基於大渦模擬的一系列湍流模擬方法。同時，高階低耗散方法在複雜外形的套用中還存在穩健性困難。因而迫切需要發展一種有效利用當前軟體資產、高效穩健的湍流大渦模擬數值方法。 主要研究內容：本項目從湍流的混沌動力學特徵出發，論證了二階數值方法在湍流大渦模擬中的可行性，並發展了原創的湍流大渦模擬數值方法—動態自適應迎風方法（DAU）。DAU方法根據局部湍流脈動強度動態調節數值耗散，以平衡可分辨尺度和亞格子尺度之間的能量傳遞，從而實現對湍流統計性質的準確模擬。為此目的，項目發展了獨創的湍流區域識別函式、局部湍流小尺度脈動強度檢測方法、數值耗散動態調節方法，開發了相應的數值模擬代碼並作了測試。 項目取得的重要結果：(1)湍流大渦模擬動態自適應迎風方法；(2)二階數值方法套用於湍流大渦模擬的可行性；(3)新的湍流大渦模擬誤差控制策略;(4)局部小尺度湍流脈動強度的檢測方法；(5)基於渦拉伸函式的湍流區域檢測方法；(6)基於渦拉伸函式的新亞格子模型；(7)動態自適應迎風方法的代碼。 關鍵數據及科學意義：項目發展的DAU方法、湍流脈動強度檢測方法、基於渦拉伸的湍流區域識別函式和亞格子模型，以及新的湍流大渦模擬誤差控制策略，是創新的數值方法和物理模型。項目的研究工作，為工業級計算流體力學軟體採用基於大渦模擬的湍流模擬方法提供了理論支持和技術手段，為複雜外形的工程問題開展湍流大渦模擬提供了穩健、高效、易實現的技術途徑。項目發展的方法和軟體，套用於多個吸氣式高超聲速飛行器設計和基礎研究課題，為相關飛行器設計提供了技術支持；套用於大型聲學風洞的低頻振盪現象，發現了產生低頻振盪的原因，並提出了相應的改進措施。