大涡模拟工程应用核心基础问题研究

The aim of the research is to develop easy CFD methods for applying Large Eddy Simulation (LES) on engineering based on the fundamental mechanisms. Thus, two key problems will be studied including the computational scheme and speed. For the computational scheme, the relation between numerical dissipation and subgrid-scale dissipation will be focused on based on the development of uniform algorithm for all-speed flows supported by the last NSFC project. The effect and mechanism of the terms in the numerical dissipation on the LES will be clarified under the conidtions of the finite volume method and second-order accuracy. For the computatioanl speed, the time-marching method, the high performance computational method, and the method about simulation mechanism will be discussed and improved. All above methods will be researched based on the classical examples of theoretical and engineering flows. The availability of the methods for LES will be studied including the mechanism of LES for the theoretical flows and the application effect for the engineering flows. Particularly, there is the novel perspective because of the new development of algorithm by the applicant, thus the further understanding about the interaction of tha algorithm and flow mechanism can be expected.

本研究力图从基础出发，发展工程可用、易用而又适宜于大涡模拟（LES）的CFD方法，从而切实推动LES的工程应用。将研究LES应用到工程流动计算中的两个核心难点问题，即计算格式与计算速度问题。在计算格式方面，申请者已在上一个主持结题基金的支持下，在可压不可压流动统一算法方面取得了突破性的进展；在本项目中，将进一步重点研究格式耗散与亚格子耗散的关系，在有限体积法二阶精度条件下，明确格式耗散各项在LES中所起的作用与机理。在计算速度方面，将分别从时间离散方法、高性能计算方法、与模拟机制方面，讨论已有的方案与改进的可能。前述各种方法将依托于多种经典理论与工程流动算例，研究其在LES中的有效性，并探讨LES在理论流动中起作用的机理、以及在工程流动中的应用效果。尤其是申请者此时已在算法方面取得了独特的进展，对以上算例研究有全新的切入点，有可能在算法与流动机理相互作用方面，取得较大的进展。

本项目力图从基础出发，发展工程可用、易用而又适宜于大涡模拟（LES）的CFD方法，从而切实推动LES的工程应用。因此，本项目主要围绕计算格式与计算速度两个关键方面开展研究，并特别是在计算格式研究方面取得了突出的成果。在研究中，提出了格式研究的统一理论框架，并提出了改进的All-Speed Roe格式，以及可压不可压统一流动计算方法构造的普适规则，解释了已有各种方法成功或有缺陷的原因，并可以指导构造新的方法。在此基础上，发展了适用于LES的改进Roe格式，可以获得较好的LES结果，如能够正确模拟湍能能谱的特性。对于高马赫数激波流动，指出了减少耗散的同时改进激波计算不稳定的可能性，并给出了具体的方法，从而获得了对激波流动进行LES的可能性。在计算速度方面，发展了高性能GPU并行的算法，并开发了相关的程序。通过以上工作，形成工程可用易用的LES数值方法，为LES的工程应用，在很大程度上提供切实可行的方法与坚实的理论基础。本项目还开展了LES计算研究工作，针对若干典型工程湍流流动，如气封湍流与平板肋条边界层湍流，进行了分析并给出了更深入的湍流流动特征认识。本项目成果包括开发出具有较高科研价值与工程价值的CFD程序一套，以及已在国际期刊发表了SCI论文4篇，EI论文5篇（全部参加了工程热物理学会年会），国际会议论文1篇，发明专利1项。论文部分工作已引起了国内外学者的重视与肯定，获得了引用与应用，如法国学者H. Guillard在刚发表的综述论文中，将All-Speed Roe格式作为可压不可压统一计算方法的三个代表性格式之一进行评述。