粘弹性流体壁湍流结构—直接模拟和机理研究

This project is proposed to investigate the turbulence structures in wall-bounded turbulence of viscoelastic fluids via Direct Numerical Simulation (DNS). It will be focused mainly on the following research issues: developing a high-efficiency, parallelized algorithm required for high-order accurate, stable and reliable calculations of wall-bounded turbulence (for example plane Couette flow, pipe flow, etc) of visoelastic fluids, which necessarily guarantees the mathematic properties of the governing equations and conformation tensor; exploring the dynamics of turbulence structures in response to the variations of flow control and rheology parameter; examining turbulence structures of different scales and the relevant mechanism under influence of fluid elasticity based on post-processing of the massive DNS calculations, such as generation and evolution of the large/small scale turbulence structures and their interactions, transportion of large scale circulations, interlink between large scale streamwise vortices and drag reduction in wall-bounded turbulence, production and dissipation of turbulence energy, cascade and decaying of large/small scale motions, generation of elastic stress and dissipation of elastic energy, transfer between the turbulent kinetic energy and elastic energy, and so on.

本项目拟通过直接模拟开展粘弹性流体壁湍流结构的机理研究。研究内容主要包括：综合考虑粘弹性流体壁湍流的流动特征，以及控制方程和二阶构形张量的数学性质，发展相关的稳定可靠、快速高效的高精度并行直接模拟并行算法；通过直接模拟粘弹性流体壁湍流问题（如平板Couette流、管流等），研究流动控制参数、流变参数对湍流结构动力学特性的影响；开展大规模直接模拟和数据后处理，进行流体弹性效应对不同尺度湍流结构的影响及机理研究，如大/小尺度湍流结构的生成和演化、大/小尺度湍流结构的相互作用、大尺度环流的输运特性，大尺度流向涡和近壁湍流减阻的内在关联，脉动能量的生成和耗散，大/小尺度运动之间的级串和衰减、弹性应力的生成和弹性势能的耗散、湍动能和弹性势能的相互转换，等等。

在本项目资助下重点开展了粘弹性流体壁湍流结构—直接模拟和机理研究，主要研究内容包括：发展粘弹性湍流的高精度数值模拟方法；探究粘弹性壁湍流中的湍流结构相互作用特性及流动机理。为此，发展了基于三维高精度谱方法的粘弹性湍流高效并行模拟算法，计算研究了粘弹性壁湍流典型问题，包括平板Couette(PCF)、旋转平板Couette(RPCF)和Taylor-Couette(TC)湍流。主要研究成果简述如下：1）在弹性PCF湍流减阻问题研究中，发现减阻PCF与减阻Poiseuille流动(PPF)具有相同的近壁减阻特征，而中心区域的流动特征呈现显著差异；2）首次研究了粘弹性TC湍流的增阻现象及其机制的曲率依赖性问题，发现小半径比时湍流增阻源于小尺度Görtler涡增强了高聚物应力的非相干输运作用，而大半径比时则源于大尺度Taylor涡强化了角动量的横向相干性输运作用；3）研究了粘弹性RPCF湍流问题，首次发现了弹性效应导致的层流化现象，揭示了伴随而生的流动增阻机制：大尺度流向涡roll cell结构的动量和弹性应力输运效应。