旋转/剪切可压缩湍流的机理和模型研究

The present project focuses on a systematic study of the effects of system rotation and mean shear flow on the flow structures, the statistical properties of turbulent fluctuations, and the transport and diffusion of passive scalars and inertial particles in rotatng and sheared compressible turbulence. A stable, robust and high accuracy mixed COMPACT-WENO scheme is utilized for direct numerical simulation of rotating/sheared compressible turbulence at relatively high Mach and Reynolds numbers and the research database of rotating/sheared compressible turbulence will be formed accordingly. The high-order upwind and central difference schemes are employed for direct numerical simulation of rotating compressible turbulent channel flow and the corresponding research database will also be created. Helmholtz-Hodge decomposition (HHD) and Helical wave decomposition (HWD) techniques are used to study the solenoidal and compressive processes, and to investigate the affecting mechnism of system rotation and mean shear on this two processes. In this project, a modification to the eddy viscosity coefficient of the subgrid-scale model in large-eddy simulation is proposed based on a general energy spectrum scaling of incompressible grid turbulence. A refined Smagorinsky model and a nonlinear model for the subgrid-scale stress and heat flux are suggested taking into account the rotation effects, are validated in the large-eddy simulation of rotating compressible grid turbulence and rotating compressible turbulent channel flow.

本项目致力于研究体统旋转和平均剪切流对可压缩湍流流场结构，湍流脉动场的统计特性，流场中的被动标量以及惯性粒子的输运和扩散规律的影响机制。我们利用精度高稳定性强的混合紧致-加权本质非振荡计算格式实现较高马赫数和雷诺数旋转/均匀剪切可压缩湍流的直接数值模拟，并建立旋转/剪切可压缩湍流研究数据库。我们利用高阶迎风格式和中心格式实现旋转可压缩槽道湍流的直接数值模拟，并建立相应的研究数据库。我们利用Helmholtz-Hodge分解和螺旋波分解技术讨论可压缩湍流的剪切和胀压过程，并研究旋转和剪切对这两个过程的影响机制。本项目还基于旋转不可压缩湍流的能谱标度率对传统大涡模拟中亚格子模型的涡粘系数提出理论修正。我们分别给出旋转Smagorinsky模型和非线性模型，并通过旋转可压缩格子湍流和旋转可压缩槽道湍流的大涡模拟检验模型的有效性。

本项目针对剪切和旋转条件下的可压缩湍流的生成机理、输运特性和亚网格模型等问题开展了直接数值模拟和大涡模拟研究。项目研究内容和取得的关键研究成果如下。. （1）开发了旋转／均匀剪切可压缩两相湍流并行计算程序，通过直接数值模拟的方法获得了示踪粒子及多种不同惯性重粒子的可压缩两相湍流数据库。. （2）研究了剪切和旋转条件下湍动能的生成机理和流场结构特征。我们的理论模型认为湍流纵向输运过程是湍动能生成的主要机制。湍动能的生成主要发生在应变区，而不是涡旋区。局部条件分析揭示湍动能的产生与条带结构密切相关。. （3）研究了颗粒的倾向性聚集现象。通过引入颗粒数密度，定量分析了不同惯性颗粒的聚集程度，并通过偏差抽样、条件平均等方法，研究了颗粒分布与流场结构的关系。随着湍流马赫数的增加，流场中的微激波结构数量变多、强度变大，对涡量的增强作用也提高，使得颗粒在低涡量区的浓度下降，在高涡量区的浓度上升。采用混合驱动时，流场中会产生跨越整个计算域的大尺度激波，颗粒分布与流体涡量之间的相关性减小。. （4）研究了颗粒扩散的统计特性。颗粒扩散由大尺度流场控制，而纯剪切加力使流场中产生的随机微激波对流场大尺度统计特性的影响很小，因此颗粒扩散的统计特性与不可压缩湍流类似，湍流马赫数的影响较小。当采用剪切和胀压联合驱动时，横跨整个计算域的大尺度激波结构使流场表现出强烈的各向异性，颗粒在激波主导方向的扩散减弱，而轨道穿越效应和连续性效应使颗粒在其它方向的扩散增强。. （5）研究了旋转／剪切条件下的可压缩湍流大涡模拟模型。通过引入物理约束条件，建立了可压缩湍流（包括旋转／剪切作用下）的大涡模拟模型，并在可压缩槽道湍流，压缩折角的激波边界层干扰流动，发动机风扇转子等的气动流场计算中对新模型的有效性进行了检验。. 总之，本项目研究圆满完成了项目计划书中的研究内容，达到了项目研究目标。部分成果已经发表在湍流相关领域的核心期刊。.