剪切湍流猝发过程和转捩后期拟序结构的时空演化

With the development of high performance computing and massive data post-processing, it would be more popular to study the dynamics of turbulence. By time-resolved Direct Numerical Simulation of statistically-stationary homogeneous shear turbulence, minimal channel turbulence and late stage of transition of flat-plate boundary layer, the spatial-temporal evolution of three-dimensional ejections, sweeps and vortex clusters are studied. The project aims to reveal the effects of the wall and the mean shear in wall-bounded turbulence, to build a unified dynamical model for bursting process in shear-turbulence (without Kelvin-Helmholtz instability) and to explore the formation of turbulence in transition from the self-sustained turbulence point of view.

随着高性能计算和海量数据处理能力的提高，高雷诺数湍流的动力学研究将成为趋势。本项目以时间分辨直接数值模拟为手段，从统计平稳均匀剪切湍流和最小槽道湍流的猝发过程以及平板边界层转捩后期三维上抛、下扫和涡团结构时空演化的角度，深入揭示壁湍流中壁面和平均剪切力的作用；对剪切湍流(不存在Kelvin-Helmholtz不稳定性)的猝发过程给出一个统一的动力学模型；从自维持湍流猝发过程的角度，探索转捩后期湍流的形成机理。

本项目主要以后掠翼和有攻角直锥为研究对象，采用高精度直接数值模拟研究了高超声速三维边界层的转捩机理，与原计划不同的是，我们的研究集中于转捩前期。研究表明，高速条件下定常横流涡的自然转捩与低速条件下并无本质的不同，以Z型二次失稳模态占主导，转捩过程中的涡结构主要由三部分组成：两个大致与展向平行的手指状结构以及近壁面一个与来流大致垂直的涡结构，其中近壁涡结构在以往的研究中并没有被发现。对于高超声速6°攻角直锥，表面压力脉动的分析表明低频信号为非定常横流涡模态，而高频信号来源于第二模态，且随着横流涡的卷起逐渐演变为横流涡的二次失稳模态，澄清了学术界关于高频信号到底是第二模态还是横流涡的二次失稳模态，以及低频信号到底是非定常横流涡模态还是第一模态的争议。此外，我们还研究了均匀剪切湍流中与亚格子能流有关的拟序结构，不论是正级串还是逆级串，它们都被上游的反发卡涡和下游的正发卡涡包围，只不过发卡涡上涡量的方向取决于级串的方向，我们的结果极大简化了人们对能量级串的理解，为发展可靠的大涡模拟亚格子模型提供了基础。