可压缩湍流高精度数值研究

Towards detailed simulation of compressible turbulent flows, high resolution numerical methods and high-performance parallel techniques are studied, and shock-capture schemes with high resolution, low dissipation, low desperation and high robustness will be developed. Based on the study, we will develop an open CFD software for detailed simulation of compressible turbulence. By using the numerical schemes and the CFD software, we will perform the direct numerical simulation (DNS) of typical compressible turbulent flows for high-speed vehicles, such as hypersonic flows over flat-plates, blunt-cones, lifting bodies, compression corners and double-cones. Based on the DNS data, the mechanism of coherent structures and statistical characters of compressible turbulence are studied, and the effects of compressibility, wall-temperature, shock-waves, flow separations, cross-flows and real-gas effects are also studied. Based on the DNS data, new sub-grid scale models for large eddy simulation (LES) of compressible turbulent and transition flows will be studied. In addition, an open database of typical aircraft compressible turbulence will be developed to provide data support for the researchers of turbulence.

面向高速飞行器可压缩湍流，开展高精度数值方法及大规模并行算法研究，构造既能捕捉强激波，又能分辨湍流小尺度且强鲁棒、低耗散、低色散的激波捕捉格式；发展一套适用于可压缩湍流高精度计算的开源计算流体力学软件。结合大规模并行计算，开展典型可压缩湍流直接数值模拟(DNS)，算例将包含高超声速平板、圆锥、椭圆锥、升力体、压缩折角以及双锥等典型高超声速湍流及转捩问题。这些算例包含了高超声速转捩、横流、分离流、复杂激波干扰以及真实气体效应等复杂因素，与国内外现有DNS相比能更真实地再现高速飞行器流场特征。利用DNS数据，探究飞行器典型可压缩湍流的湍流结构、统计特征并构建其数学模型；研究压缩性效应、真实气体效应、壁温效应、复杂激波系干扰、非定常分离以及横流等复杂因素对湍流结构及统计特性的影响规律；探讨湍流结构的控制方法；构造适合于可压缩湍流及其转捩过程的大涡模拟模型。为飞行器气动力热设计提供理论依据。 此外，本项目还将形成一套开放的典型飞行器可压缩湍流数据库，为国内外同行提供数据支撑。

面向飞行器可压缩湍流的高分辨模拟， 本项目开发了TENO-LAD,WENO-PR，HK-WGVC-WENO等系列高精度数值方法，提升了数值模拟的分辨率、鲁棒性及计算效率；开发了面向国产GPU异构系统的高精度计算软件OpenCFD-SCU,实现了单GPU卡对单CPU核心最高700余倍的加速，大幅提升了计算性能，为飞行器可压缩湍流的精细模拟提供了方法及软件保障。利用所开发的数值方法及软件，课题组进行了高超声速升力体及钝锥体边界层转捩、激波/边界层干扰、激波/界面干扰等复杂流动的直接数值模拟，形成了开放的飞行器湍流高时空分辨率数据库。在此基础上，对湍流结构、统计特征、气动力热等关键机理等关键机理进行了深入研究，揭示了高超声速边界层转捩形态、激波/边界层干扰三维特征及气动力热产生机制等关键机理。此外，本项目还针对螺旋湍流开展研究，提出了螺旋度级串的双通道理论及尺度局部性理论，建立了螺旋波基分解方法，给出了旋转和螺旋度注入对湍流结构及螺旋度级串的影响规律，深化了对螺旋湍流的机理认识。在直接数值模拟的基础上，开发了基于螺旋度输运的大涡模拟模型CHM、能流约束的大涡模拟模型KCM及准动态大涡模拟模型QCM，为飞行器复杂湍流的大涡模拟提供了模型保障。本项目的研究深化了对飞行器可压缩湍流的机理认识，为可压缩湍流的精细模拟提供了数值方法、模拟软件及数学模型。本项目在JFM,PoF,JCP等业内主流期刊发表论文59篇(SCI收录51篇），承办全国性学术会议3次，培养博士生7人，硕士生2人，完成了预期的研究目标。