一种基于熵概念的湍流边界层判别准则及其在湍流模式中的应用研究

The entropy concept is introduced into the turbulence modeling strategy. First,the turbulent boundary-layer is described from the point of energy dissipation. Based on the theoretical analysis and direct numerical simulations (DNS) data, the relationship between the entropy increment and the viscosity dissipation is systematically investigated. Then, an entropy function fs is proposed to distinguish the turbulent boundary-layer from the external flow. This function is general, independent of the inflow conditions and any particular turbulence model. This function is applied in two aspects of turbulence modeling preliminarily. Firstly, we take this entropy function fs as a new “delayed strategy” and propose an improved version of DES method to solve the inherent Modeled Stress Depletion (MSD) problem in DES97. Secondly, fs is employed as the “hybrid function” to dynamically denote the interface of RANS and LES. The success of this work will expand the capabilities of the entropy concept, exhibiting a good theoretical foundation of novel turbulence modeling methods.

在湍流流动中，流场中的熵增主要集中在壁面附近的边界层内，而对于湍流模拟方法构造，如何确定边界层的范围至关重要。本项目基于理论推导以及直接数值模拟（DNS）数据分析，研究湍流边界层内熵增变化特性，并利用熵概念提出一种判别湍流边界层的新方法，即熵判据函数fs。熵函数fs不含任何湍流量，与具体湍流模型无关。将熵函数fs初步应用到以下方面：使用熵函数fs作为一种新的“延迟策略”，提出改进的DES类方法，用于克服原始DES97中模化应力不足（MSD）的缺陷；将熵函数fs作为交界面函数，构造新型的动态RANS/LES混合方法，探讨fs的通用性。该项目的完成将有助于拓展熵概念新的应用领域，同时为湍流模式的改进提供一种新的思路。

研究背景：无论对于零方程湍流模型，还是更为高级的RANS/LES 混合方法，边界层范围的确定对于上述模式的构造意义重大。但一直以来，对于边界层厚度的判据一直停留在“当地速度是自由来流速度的99%（或95%）的位置为边界层外缘，壁面到外缘的距离为边界层厚度δ”。这种定义方式用于判别简单流动（如平板、槽道流动）的边界层厚度十分有效。但对于复杂流动，如有攻角的翼型绕流存在分离的流动以及存在激波的流动，这种单纯使用速度判据确定的边界层范围显然是不正确的。.研究内容：1）湍流边界层内熵增变化规律研究2）基于熵概念建立识别湍流边界层范围的新判据研究3）使用熵判据作为延迟函数，修正DES97 方法4）使用熵判据作为交界面函数，构造新型的动态RANS/LES 混合方法。.重要成果：1）理论突破：获取湍流边界层内熵增变化规律，提出一种新的基于熵概念的湍流边界层判别准则，并用于修正与构造湍流模式，拓宽熵的应用领域。2）应用成果：将熵判据函数fs作为延迟函数，提出一种改进的DES 类方法，克服DES97模化应力不足的问题；作为交界面函数，通过搭配不同的RANS、LES 模型，提出多种动态RANS/LES 混合方法，通过一系列算例验证，揭示熵函数fs 的可靠性与通用性。3）学术成果：在国内外核心学术期刊发表论文12篇，培养硕士2 名，参加两次国际会议并宣读结果，获得国内外专家的认同和好评。.科学意义：系统研究了湍流边界层内熵增特性，推导用于熵判据函数的熵增不变量，可用于在复杂流动中准确判定边界层范围。