《激波-湍流邊界層干涉中的湍流機理和模型改進研究》是依託北京航空航天大學，由方劍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：激波-湍流邊界層干涉中的湍流機理和模型改進研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：方劍
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本課題旨在採用直接數值模擬（DNS）和大渦模擬（LES）方法對激波-湍流邊界層干涉（STBLI）現象進行機理研究，通過分析STBLI中的非平衡湍流輸運特性和深入挖掘其中的物理機制來發展湍流模型，提高雷諾平均方法（RANS）對STBLI模擬的準確性和在高超工程套用中的可靠性。為達到該研究目標，本課題將首先利用課題組發展的低耗散保單調格式對STBLI開展DNS和LES，獲得高精流場資料庫。通過對流場數據的分析，本課題將研究STBLI中的激波大尺度低頻運動現象、湍流增強機理和湍流非平衡輸運特性等關鍵流動問題，並挖掘其中的物理機制。在此基礎上，本課題將進一步發展課題組提出的基於湍流輸運特性改進湍流模型的方法，將STBLI中的非平衡輸運特性通過建立合理的數理模型引入到湍流模型中，最終提高RANS對STBLI的模擬精度。
結題摘要
激波/湍流邊界層干涉（SWTBLI）是高速飛行器及其動力系統中最為關鍵的流動現象，決定了高速飛行器的性能和穩定性。由於SWTBLI的多尺度、非定常和強非平衡特性，工程上難以對其進行準確的模擬和預測，制約了高速飛行器的研發。同時，由於高速流動中的實驗測量非常困難且成本高昂，且能夠獲得的數據非常有限，難以用來開展詳細的機理研究。基於以上背景，本課題採用高性能數值模擬為途徑，對高速飛行器內外流中的一系列關鍵的SWTBLI現象開展了機理研究；並基於非平衡湍流輸運特性改進了工程常用湍流模型，支撐了高速飛行器的工程研發。本課題首先發展了高階低耗散的激波捕捉格式，並發展了高性能流體仿真程式ASTR，為本課題的開展提供了高效的數值工具和計算平台；在此基礎上，本課題對一系列關鍵的SWTBLI問題開展了高精度數值模擬，建立了SWTBLI的高精資料庫；其中本課題針對馬赫5的三維單鰭流動的大渦模擬是國內外首次對三維SWTBLI的大渦模擬研究。在此基礎上，通過對SWTBLI資料庫的分析，開展了對其中湍流機理的研究，發現了一系列SWTBLI中新的流動結構和現象。針對SWTBLI中的非平衡輸運機理，本課題提出了SWTBLI中分離點附近湍流能量的生成和當地逆壓梯度的直接關係。基於對湍流機理認識的深入，本課題針對工程常用的SA模型開展了改進研究；通過引起逆壓梯度因子改善了SA模型的生成項，並通過高精資料庫的校核最終改進了SA模型對SWTBLI這一類流動的預測精度。本課題分別在基礎套用數學、CFD程度開發、大規模並行計算方法，高速氣體動力學、複雜非平衡湍流機理以及湍流模式這幾個方面開展了研究，在計算數學、流體物理和航空航天等國內外期刊了發表了學術論文，實現了以高精度數值模擬和基礎機理研究來支撐工程研發的研究思路。
