高雷诺数三维翼边界层湍流的直接数值模拟及机理分析

In this project, a new 7th-order hybrid scheme based on the WENO7 and the group velocity control（GVC） and a new 7th-order monotonicity- preserving optimized scheme are to be developed for improving the resolution of capturing shock wave and multi-scale turbulence structure. The direct numerical simulations (DNSs) of the compressible boundary layer turbulence over some complex shapes (2D RAE2822 airfoil and 3D Onear-M6 wing) at high Reynolds number are to be carried out. It is aim to study systematically various fundamental mechanisms dictating the intricate flow phenomena, including turbulent boundary layer characteristics, kinematics of coherent structures and dynamical process in flow evolution. The results will enrich the content of aerodynamics. The internal relations among the production of turbulent friction drag and movement of coherent structures are to be explored for supplying the theoretical basis of the drag reduction by turbulence controlling in large aircraft design. Finally, based on the DNS data and analysis, turbulence models, including BL model, SA model and SST model, are to be assessed and improved. Combined the previous work of compressible boundary layer turbulence (Mach number up to 8) and results of this project, a turbulent database based on boundary layer turbulence is to be created and will be opened to the domestic relative industry, in order to promote the development of basic research and engineering applications related work.

本项目拟开发新型的基于7阶WENO和群速度控制的混合型格式和色散优化耗散可控的7阶保单调格式，以达到对激波和湍流多尺度脉动量的高精度分辨，并以自主研发的万核级OpenCFD软件为基础，对2维翼型和3维机翼等典型外型的高雷诺数可压缩边界层绕流开展直接数值模拟（DNS），精细地把握各种复杂流动现象，分析湍流边界层机理，探索近壁相干涡结构的运动特征和动力学行为的基础力学问题，丰富空气动力学内容；分析湍流摩阻产生与拟序涡运动之间的内在关系，探索摩阻产生机理，为大型飞行器通过湍流控制减阻提供理论依据；基于所建立的真实外型可压缩湍流DNS数据库及边界层湍流机理分析结果，对常用湍流模型开展先验评估与改进，提高工程预测精度；结合已有的可压缩平板边界层湍流DNS结果,建立相对完整的亚、跨、超/高超声速边界层湍流DNS数据库平台，并向国内行业开放，以促进基础研究领域和工程应用领域相关工作的发展。

构造了两类高精度激波捕捉格式，（1）利用优化的WENO格式与保单调格式(MP)进行加权混合，得到新的加权混合WENO格式（H-WENO），（2）利用7阶精度的WENO格式与8阶中心格式进行加权组合，构造了一种自适应低耗散的中心-WENO混合格式(H-WENO7-CD8)，新格式结合了WENO格式和中心格式的特点，提高了格式的分辨率和捕捉激波的能力，该自适应的高精度中心-WENO混合格式相比于七阶的WENO格式具有更小的耗散误差。. 采用自主开发的中心-WENO混合格式对RAE2822开展了DNS计算，结果表明，激波之前，边界层存在大量的大尺度结构，发卡涡大量存在，上翼面的近似法向激波比较弱，但对壁面的湍流结构有明显的干扰，加速的流向涡的破裂，在翼的后端，由于逆压区的作用，大尺度的湍流结构向破碎的小尺度快速发展，小尺度结构非常丰富，边界层变厚。. 采用自主开发的中心-WENO混合格式开展了Onera-M6高精度边界层湍流计算。计算结果清晰地展现了尾端的λ激波和边界层内丰富的湍流结构。典型结果：大概在40%弦长以前，边界层由大尺度的涡结构组成，可以看到大量的马蹄涡，向下游顺着流向发展，这些涡逐渐抬头，并被拉伸，进而发生破碎，形成大量的小尺度结构，进入湍流状态，这一变化过程具有典型的湍流发生机理，具有典型的TS波演化特征。结果显示下翼面的湍流运动比上翼面要弱很多，上翼面尾部湍流运动非常丰富。. 开展了可压缩平板边界层湍流的减阻分析，针对于条纹壁控制，在超声速平板边界层流动中，条纹壁可以推迟转捩。在超、高超声速槽道中，条纹结构有7%左右的减阻效果，其减阻机制在于流向条纹能减弱湍流强度，使与雷诺应力相关的湍流贡献项对摩擦阻力的贡献减少。对于壁面均匀吹吸控制，壁面均匀吹/吸在高超声速湍流边界层中减小/增加阻力。阻力减小的主要机制在于平均对流贡献项的改变，与雷诺应力相关的湍流贡献项对阻力的减小起相反的作用。