柔性覆层湍流边界层特性及减阻机理数值研究

通过在物体表面贴上一层柔性覆层来抑制湍流达到减阻效果是一种简单而有潜力的湍流减阻被动控制方法。本项目利用直接数值模拟的手段，对柔性覆层湍流边界层特性及减阻机理进行研究。（1）柔性覆层湍流边界层的直接数值模拟方法研究：采用基于动态曲线坐标方法处理任意变形的流体边界，结合辅助计算法和比例缩放法给出湍流边界层的入口条件，柔性覆层计算模型包括各向同性和各向异性模型；（2）柔性覆层湍流边界层的统计特性，近壁相干结构动力学过程及减阻机理研究：采用流场可视化和条件平均的方法，研究柔性覆层对近壁湍流相干结构及湍流自维持机制的影响，通过雷诺应力输运方程中各项的平衡关系来研究湍流减阻的机理；（3）柔性覆层关键材料参数研究：结合单谐波分析，根据数值模拟的结果分析关键材料参数对减阻效果的影响，并在均匀材料的研究基础上设计非均匀材料结构以求改善减阻效果，为实验研究及实际应用提供参考。

本项目利用直接数值模拟方法对柔性覆层湍流边界层开展研究，主要进展包括：（1）柔性覆层湍流边界层的直接数值模拟方法及验证；（2）柔性覆层湍流边界层统计特性及关键参数研究；（3）湍流边界层减阻机理研究。取得了以下几个方面的成果：（1）发展了基于动态曲线坐标的湍流边界层直接数值模拟方法，并提出了一种基于非贴体网格的罚函数浸没边界方法用于运动边界流动计算；（2）利用单次谐波分析为覆层参数的选取提供参考，发现边界条件的影响主要体现在对变形量的限制上，并考察了柔性覆层参数的影响，发现表面张力系数的减小会引起较大的表面位移；（3）实现了柔性覆层和湍流边界层的耦合计算，获得了流场的瞬时信息和统计特性，通过分析不同边界条件和覆层参数对湍流特性的影响，发现了阻尼系数的减小会引起壁面摩擦阻力的明显增加；（4）通过对拟涡能输运方程的平衡分析，发现了法向涡量对流动控制最先响应的物理机制；（5）通过考察初始扰动的瞬态增长分析了壁面控制对湍流相干结构的影响，加深了对近壁湍流相干结构动力学过程及湍流自维持机制的理解，为进一步提出有效的减阻控制方案提供参考。共发表SCI论文3篇，EI论文3篇，中文核心期刊论文2篇，国际会议论文4篇，其中ISTP收录1篇，国内会议论文6篇。