可压缩湍流模拟及其剪切、胀压和热力学过程的研究

Complex flows involving shock wave, turbulence, and flow separation, in particular high-Mach-number flow, are the important problems in fundamental fluid mechanics and in aerospace engineering. This project is to study the complex compressible turbulent flows by means of the theoretical analyses of the nonlinear coupled effects of shearing, compressing and thermal processes and the large-scale numerical simulation of the turbulent flows, to develop reliable subgrid scale (SGS) models for the large eddy simulation (LES) of compressible turbulent flows, and to explore the physical mechanisms underlying in compressible turbulence. The main research of this project includes the following aspects. We will attempt to perform the analyses of coupled effects of shearing, compressing and thermal processes on complex compressible turbulent flows and the relevant physical mechanisms in turbulent flows, to improve the relevant LES approach and SGS models for reliably predicting the complex flows, to develop high efficient numerical method and parallel computation technique in particular for simulating high-Mach-number turbulent flow, and to investigate systematically the physical mechanisms underlying in the complex compressible turbulent flows. This study is importance and innovation in a wide range of fundamentals and applications and will provide some new concept and technology support in aerospace engineering.

湍流、激波和旋涡分离流等共存的可压缩复杂流动，尤其是高马赫数可压缩湍流，这是流体力学领域重要的基础问题，也是航空航天发展的关键科学问题。本项目拟通过剪切、胀压和热力学基本物理过程的非线性耦合作用的理论分析，以及湍流模拟的大规模计算相结合的研究手段，通过研究旨在建立合理的可压缩湍流方法及其亚网格应力模型，实现可靠的可压缩复杂湍流的大涡模拟，揭示复杂的湍流机理和流动物理规律。研究内容主要包括：开展可压缩复杂湍流的剪切、胀压和热力学过程的耦合分析和相关的湍流物理分析；发展和建立合理的可压缩湍流大涡模拟方法和亚网格应力模型；发展模拟可压缩复杂湍流尤其是高马赫数湍流的计算方法；系统地开展湍流、激波和旋涡分离流等共存的可压缩流动特性研究，探讨可压缩湍流复杂的物理机制和流动机理。该项目是关于可压缩湍流研究的前沿性课题，研究成果将为航空航天设计中突破关键湍流瓶颈问题提供理论依据和技术支撑。

本项目通过剪切、胀压和热力学基本物理过程的非线性耦合作用的分析和湍流模拟相结合的研究手段，旨在建立合理的可压缩湍流方法及其亚网格应力模型，实现可靠的可压缩湍流的大涡模拟，揭示复杂的湍流机理和流动物理规律。研究内容主要包括：开展模拟湍流、激波和旋涡分离流等共存的可压缩流动的计算方法和可压缩湍流的大涡模拟研究；开展可压缩复杂湍流的剪切、胀压和热力学基本物理过程的耦合分析和相关的湍流物理分析；发展合理的可压缩湍流大涡模拟亚网格应力模型，开展湍流、激波和旋涡分离流共存的可压缩湍流特性研究。该项目是关于可压缩湍流研究的前沿性课题，研究成果将为航空航天设计中突破关键湍流瓶颈问题提供理论依据。.本项目已按照研究计划圆满地完成了研究计划书中的内容。在本报告中，项目研究工作的主要进展和所取得的成果包括如下几个方面：超声速来流中横向脉冲射流的流动特性，同轴射流的流场结构和激波啸叫特性，同轴射流在内外射流不同压比情况下的流动特性，V形钝化前缘非定常流动和激波干扰特性，超声速直管道中激波串和湍流相互作用特性，周期背压超声速直管道湍流流动特性，湍流混合层中湍流/非湍流界面处的流动拓扑及其演化，具有流动非局部效应的可压缩湍流亚格子应力模型。相关研究成果已在 J. Fluid Mech.、Phys. Fluids 和 J. Turbul. 等重要学术期刊发表论文11篇，以及国际学术会议9篇，其中邀请报告3次。.在本项目执行过程中，积极加强了国内外的学术交流和合作研究。项目主要成员10余人次参加了国际学术会议，受到国际国内同行的好评和关注。项目执行期间邀请了来自美国、荷兰、新加坡等10余位海外学者进行学术交流。由于与该项目研究领域相关的学科发展和国际合作交流的重要性，还得到了国家外国专家局“111计划”的资助。.通过本项目的实施，有助于我们培养高素质的人才。已有4位博士研究生毕业获得学位，还有3名在读博士研究生和2名在读硕士研究生参与本项目相关领域的工作。他们的研究工作已发表在一些著名的国际学术期刊，如 J. Fluid Mech. 和 Phys. Fluids 等。