高聚物彈性效應驅動的彈性湍流的直接數值模擬研究

《高聚物彈性效應驅動的彈性湍流的直接數值模擬研究》是依託中國科學技術大學，由劉難生擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高聚物彈性效應驅動的彈性湍流的直接數值模擬研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉難生
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

本項目著重開展高聚物彈性效應驅動的彈性湍流的直接數值模擬(DNS)研究，探討這類湍流的複雜流動機理和湍流摻混傳熱機制。研究內容主要包括：綜合考慮彈性湍流控制方程和構型張量的數學性質，發展適用於彈性湍流數值模擬的高精度、穩定可靠的高效並行算法；通過彈性湍流典型問題的DNS計算，研究流動控制參數、外加激勵力和邊界條件對湍流特性的影響；引入標量輸運方程，DNS計算研究彈性湍流中標量輸運的動力學過程、湍流特性對標量分布規律和脈動特性的影響，探討其中的湍流摻混脈動傳熱機制；開展大規模的DNS計算，進行彈性湍流的機理性研究，如脈動能量的生成、流體和高聚物之間的能量交換、不同尺度運動之間的能量傳遞、能量的小尺度耗散作用、彈性應力邊界層與增阻現象、彈性應力及被動標量的輸運過程、擬序渦的生成及演化對彈性應力分布的影響、脈動量的時空相關特性、擬序渦的湍流摻混傳熱作用；等等。

結題摘要

在本項目資助下重點開展了高聚物彈性效應驅動的彈性湍流的直接數值模擬(DNS)研究，以及相關複雜湍流機理和湍流摻混傳熱的數值模擬研究，主要進行了如下幾個方面的研究：彈性效應作用下的複雜湍流的數值模擬方法研究；Taylor-Couette (TC) 流動中高聚物彈性驅動的彈性湍流特性和非線性流態轉換(低Re數)研究；高聚物彈性誘導的TC湍流特性和流動機理(高Re數)研究；徑向加熱TC流動的高階非線性湍流轉捩和湍流傳熱機制研究；拓展研究了附著於行波擺動翼型尾端的平板長度對推進性能的影響。本項研究取得了以下研究成果：發展了求解高聚物彈性效應作用下的複雜湍流的高精度三維全隱譜方法、以及相關的高效可靠並行算法；首次通過直接數值模擬TC流動再現了彈性效應驅動的彈性湍流基本特徵，尤其是在中心區域精確計算預測了實驗觀測到的徑向速度脈動的頻譜特性；首次通過直接數值模TC湍流發現了彈性效應誘導的大尺度Taylor渦破碎和阻力劇增現象，並提出了合理的物理解釋：慣性-彈性Görtler失穩機制；在徑向加熱TC流動中發現了浮力驅動的高階非線性湍流轉捩過程，揭示浮力效應和外柱旋轉均導致的湍流傳熱主導機制由大尺度環流傳熱轉變為小尺度湍流脈動傳熱；通過流固耦合數值模擬揭示了平板長度對推進性能(包括推力、能耗和推進效率)的影響規律，發現了對應於不同平板長度的三種典型魚游推進模態：體力占優模態、體力和尾鰭力競爭模態和尾鰭力占優模態，以及不同模態下的動力學特性和流動結構。