《非均衡湍流的大渦模擬亞格子建模問題研究》是依託北京航空航天大學，由方樂擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：非均衡湍流的大渦模擬亞格子建模問題研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：方樂
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
非均衡湍流是自然界和工程中最普遍的湍流形式，而且在轉捩、尾跡、分離等含擬序結構的流動區域內非均衡性尤其明顯。非均衡湍流的演化特徵與均衡湍流截然不同，但由於非均衡性難以衡量，目前幾乎所有的大渦模擬亞格子模型事實上都是基於均衡假設而建立的。這也正是導致目前大渦模擬在含擬序結構的區域內總是效果不佳的重要原因之一。為解決此問題，本項目提出用可解尺度速度差扭率來表征湍流的非均衡性，進而研究各種非均衡湍流中普適的多尺度特性- - 標度律，然後基於這些結果，利用過濾的柯氏方程建立起針對非均衡湍流的理性亞格子模型。新模型將首先在簡單流動中進行先驗和後驗檢測，然後在葉輪機流動計算中進行套用。本項目不僅在理論上對非均衡湍流的研究具有啟發意義，而且有望彌補大渦模擬方法難以套用於含擬序結構的區域這一不足，為複雜流動的工程項目提供更完善的大渦模擬工具。
結題摘要
非均衡湍流是自然界和工程中最普遍的湍流形式，而且在轉捩、尾跡、分離等含擬序結構的流動區域內非均衡性尤其明顯。非均衡湍流的演化特徵與均衡湍流截然不同，但由於非均衡性難以衡量，目前幾乎所有的大渦模擬亞格子模型事實上都是基於均衡假設而建立的。這也正是導致目前大渦模擬在含擬序結構的區域內總是效果不佳的重要原因之一。為解決此問題，本項目提出用可解尺度速度差扭率來表征湍流的非均衡性，進而研究各種非均衡湍流中普適的多尺度特性——標度律，然後基於這些結果，利用過濾的柯氏方程建立起針對非均衡湍流的理性亞格子模型。 本項目主要的研究成果概述如下。 （1）對非均衡湍流的新理解——譜非均衡。首次提出“譜非均衡”(spectral non-equilibrium)的概念並在譜空間給出精確的定義。由此出發，定義可解尺度速度差扭率為表征非均衡湍流的關鍵物理量，並提出了將湍流場分解成充分發展場和逆均衡場的統計分解方法。 （2）對非均衡湍流的新理解——多尺度性。在研究非均衡湍流多尺度特性的過程中，發展了一套基於三點速度差標度律的理論，可以解釋湍流內生的大小尺度相關性。研究了針對可解尺度的標度律修正方法。 （3）對非均衡湍流的新理解——短時間相關性。這部分研究是項目原計畫以外的，是在對非均衡湍流的研究過程中發現的新物理現象。非均衡湍流的發展過程是短時間的，而正是此現象引發了一些新的物理現象。我們發現非均衡性引起的湍流非線性項的衰減現象與拉格朗日相關時間有關，並在EDQNM理論中對此現象進行了建模。我們還發現如果用非均衡性的思想去研究速度梯度相關張量，可觀察到在短時間其交叉相關函式總是先遞增再遞減，這與一般情況下物理量相關函式隨時間衰減的現象相反，可以用幾種不同的理論進行不同角度的解釋。 （4）大渦模擬方法與非均衡湍流的亞格子建模。為了對非均衡湍流進行大渦模擬，本項目對大渦模擬方法進行了深入的研究，特別是針對我們採用的理性亞格子模型思路，在前期工作的基礎上進一步進行了深入挖掘和總結。引入可解尺度速度差扭率來表征湍流非均衡性，對Smagorinsky模型做出修正，成功地模擬出一些典型的非均衡湍流。 （5）湍流數值方法。在研究非均衡湍流的過程中，需要進行大量高性能高精度數值計算，因此我們也對湍流數值方法進行了一定的研究，發展了相關的數值方法。
