可压缩混合层涡结构演化和湍流分析

可压缩混合层是与超燃冲压发动机中燃料和空气混合相关的基础问题。采用已开发完毕的高精度、高分辨率，并同时能捕捉较强激波计算格式，对不同对流马赫数进行三维空间发展超声速混合层的DNS模拟，研究三维空间发展超声速混合层湍流整个发展过程，研究涡结构对混合的作用，扰动是如何增强混合的。在关注涡结构演化的同时研究小激波的生成、演化规律及生成机理。研究湍动能方程中涨量耗散项对可压缩混合层厚度增长率下降的影响，以及在雷诺应力方程中的压力应变项和湍动能方程中压力涨量项所起的作用。从涡动力方程出发，研究拟涡能和湍流拟涡能的输运平衡问题，可压缩性如何影响这两个量的输运平衡。希望获得可压缩效应对混合层厚度增长率下降影响的合理分析，将可压缩性对湍流的影响的认识提高到一个新的高度。并希望这些基础研究成果能够带来较新颖有效的增混措施。

采用自行开发的高精度高分辨率格式和直接数值模拟的方法，获取并对比了不同对流马赫数条件下三维空间发展超声速混合层从不稳定性发展到涡结构卷起、直至转捩为湍流的整个过程；研究了大尺度结构对流质混合的作用。. 计算和存储用于进行湍流分析所必须的海量数据，并对计算数据进行统计分析处理，分析了可压缩混合层充分发展湍流的雷诺应力输运平衡和湍动能输运平衡；指出可压缩项,即平均压力平均涨量项和压力脉动涨量项对混合层湍流发展起抑制作用。平均压力平均涨量项使得能量从平均内能回流到平均动能。压力脉动涨量项则在混合层两侧将湍动能转换为平均内能，这直接阻碍了湍流在法向上的扩张。证实了脉动压力脉动应变项随对流马赫数的提高而变小是厚度增长率降低的主要原因，查明了该项减小的原因是脉动压力和脉动应变的减小，脉动压力和脉动应变之间的相关系数却基本保持不变。. 基于涡动力学方程，推导和分解了可压缩时均和脉动拟涡能输运方程，对脉动拟涡能输运方程的各项的物理意义和机制进行分析；研究可压缩混合层充分发展湍流的时均拟涡能和湍流拟涡能的输运平衡问题，通过数值计算分析了可压缩湍流脉动拟涡能输运方程主要影响项；对方程中代表不同物理机制的生成项和耗散项的数值进行了定量分析和定性比较；研究了脉动拟涡能输运过程中各种机制对总体平衡的影响；并对比不同扰动的情况，探索分析了添加入口亚谐波扰动可以大幅提高混合性能。