壁湍流约束大涡模拟方法的进一步研究

Wall-bounded turbulent flows in high Reynolds number are of great importance in engineering designs and applications. Recently, constrained large eddy simulation (CLES) method was proposed by Shiyi Chen and his colleagues from Peking University for simulating this problem. Different from traditional hybrid RANS/LES method, CLES conducts a large eddy simulation in the whole flow domain with a constrained subgrid-scale (SGS) model in the near-wall region and a traditional SGS model in the outer-flow region. The numerical results in the past have already shown the effectiveness of CLES method in both incompressible and compressible wall-bounded turbulence, both attached and detached. However, CLES method is still in fundamental research status, and more details need to be further clarified. The major of this proposal is to investigate the effects of RANS model and original SGS model in the inner constrained SGS model, and then recommend one, or at most two, "best" RANS model and original SGS model for CLES, for both incompressible and compressible cases,promoting its applications in engineering problems. Moreover, we are going to study the power of CLES method in predicting the transition problems, which will further extend its application realms and values in real engineering problems.

高雷诺数壁湍流是工程设计和应用中非常重要的问题之一。近几年，北京大学陈十一教授团队提出了约束大涡模拟方法（CLES）用来模拟这一问题。和传统的RANS/LES混合方法不同，CLES在全场做LES计算：在靠近壁面的内区，它采用带约束的亚网格模型，而在外区，它使用传统的亚网格模型。过去的数值试验证实了CLES方法模拟壁湍流时的有效性，无论是不可压缩还是可压缩，亦或是附着流或分离流。然而，CLES方法尚在基本研究和测试阶段，很多细节问题还需要进一步研究。本课题主要目标是进一步研究CLES方法中底层RANS模型和原始的SGS模型的影响，进而选出不可压缩和可压缩情况下最优的RANS模型和SGS模型组合，完善CLES方法，推进CLES在工程问题中的应用。在此基础上，我们还将研究CLES方法对转捩问题的预测能力，进一步拓展CLES方法的工程问题中的应用范围和价值。

壁湍流是工程设计和应用中非常常见并且非常重要的问题之一，如何准确模拟这类问题是湍流界的研究热点之一。近些年，陈十一院士团队针对这一问题提出了约束大涡模拟方法（CLES）。和传统的RANS/LES混合方法不同，CLES全场做LES计算，只是在近壁面区域，对亚网格模型进行了约束。过去的数值实验初步证实了CLES方法在模拟简单可压缩/不可压缩壁湍流时的有效性，但是很多细节问题还需要进一步研究。.本项目首先采用一系列经典算例，包括可压缩槽道湍流，可压缩圆柱绕流，周期丘陵绕流，NACA0021翼型的60度攻角绕流，双圆柱绕流、三角翼绕流等，进一步验证了CLES方法在模拟可压缩壁湍流时的有效性。通过这些研究，我们发现底层用来预估总雷诺应力的模型很关键。我们建议采用基于DES思想修改过长度尺度的SA模型方程来预估底层的总雷诺应力。此外，SGS模型的影响不明显，但是Vreman模型可以是一个不错的选择。我们还使用CLES方法研究了可压缩圆柱绕流中马赫数的影响。我们发现在低雷诺数和高雷诺数时，流动的统计量对于马赫数的响应是不一样的。.本项目还针对CLES方法模拟转捩问题的能力做了试探。我们发现，CLES方法可以用来预测转捩流动，但是这个时候我们不能用全场充分发展的雷诺应力模型，而需要用考虑了转捩效应的雷诺应力模型。在时间发展的槽道流中，我们对该问题进行了全面研究，并提出了基于形状因子和Smagorinsky模型系数的两种间歇因子模型。新提出的间歇因子能够很好地刻画雷诺应力在转捩过程中的变化，从而使得CLES方法能够模拟该时间发展的转捩问题。.此外，我们还针对展向旋转的槽道湍流和平板Couette湍流开展了一系列直接数值模拟研究，我们发现了在展向旋转的槽道湍流中，不仅平均速度是线性分布的，其雷诺剪应力，湍动能生成项等都是成线性分布的。而在展向旋转的平板Couette湍流中，当旋转数在0.02附近时，中心区流动会存在回流现象。