湍流通用物理方程的推导及讨论

湍流的通用方程已经获得。利用变形率张量与摄动变形位移的点积分解湍流脉动速度,并使用密度加权的侧偏系综平均方法取代Reynolds平均方法,对Navier-Stokes方程进行平均。在二阶精度上没有出现未知相关量,从而获得了具有二阶精度的封闭的湍流通用物理方程。方程中无相关量,不引入任何经验系数,无需构造任何湍流模型,即可描述任意复杂湍流场并解释湍流物理本质。方程在长时标上描述湍流平均行为,在短时标上描述相应尺度层次的湍流结构现象,从而统一了湍流的统计及结构二大学派。方程简化后得到湍流的规范方程,是混合的Burgers-Korteweg-de Vries方程,对该方程的分析给出了湍流转捩准则。文中对湍流的间歇性、拟序结构、各向异性、湍流能量逆转等现象的物理本质进行了初步讨论。      

不可压湍流平均流与拟序流的各向异性模式理论及其数值验证

使用侧偏统计平均方法理性推导了不可压湍流的封闭方程组。侧偏统计平均提供了湍流脉动量的一阶统计信息,在引入加权漂移速度对称性及正交各向异性后,导出了漂移流的连续方程、动量方程及能量方程,最后依据湍流物理的唯象论,使用动量传输链概念模化封闭了整个方程组。方程组不含任何经验系数,保留了N- S方程的均化的非线性特性。其级数形式的能量方程与非线性现象多尺度层次现象相对应,具备了描述湍流统计平均流动及拟序结构流动的双重功能。      

Gao-Yong理性湍流方程

对近十年来Gao-Yong理性湍流方程的研究进行综述,给出矢量形式的可压湍流封闭方程组的推导过程。侧偏统计平均保留了湍流脉动量的一阶统计信息,在引入加权漂移速度对称性及正交各向异性后,导出了漂移流的连续方程、动量方程及机械能方程,最后依据湍流物理的唯象论,使用动量传输链概念模化封闭了整个方程组。方程组不含任何经验系数,不使用壁面函数,保留了NS方程的均化的非线性特性。其级数形式的能量方程与非线性现象多尺度层次现象相对应,具备了描述湍流统计平均流动及拟序结构流动的双重功能。已进行了大量算例验证,验证结果证明了Gao-Yong湍流方程对广泛范围的复杂湍流问题的适定性。     

使用GAO-YONG方程组对湍流边界层拟序结构特性的研究

与以往的湍流模型不同,GAO-YONG不可压湍流控制方程组不需要任何经验系数及壁面函数。其级数形式的能量方程与非线性现象多尺度层次相对应,具备了描述湍流统计平均和拟序结构的双重功能。本文采用交错网格和SIMPLE方法求解GAO-YONG不可压湍流方程组,考察了GAO-YONG方程组中能量方程阶数以及计算网格对拟序结构的影响,证明了该方程在描述拟序结构方面具有一定的适定性。      

基于物理知识约束的数据驱动式湍流模型修正及槽道湍流计算验证

对湍流摩擦阻力的精准预测是学术界和工业界普遍关心的重要问题，而数据驱动式的湍流模型修正方法对此显示出较大的潜力和前景。提出了一种基于物理知识约束的数据驱动式湍流模型修正方法，根据湍流摩擦阻力分解获得先验物理知识，在S-A湍流模型的生成项中引入非均匀分布的修正因子，以修正因子为设计变量，设定包含物理知识约束的目标函数，利用离散伴随方法求解目标函数与设计变量之间的梯度关系，通过高效率的迭代求解获得修正因子的分布。以槽道湍流为例，验证了包含物理知识约束的数据驱动式建模方法的优势，并分析了物理知识约束对湍流摩擦阻力预测精度的影响，结果表明引入物理知识约束可进一步提高湍流摩擦阻力的预测精度。     

使用GAO-YONG方程组对可压湍流边界层的数值模拟

应用SIMPLE/SIMPLER方法及QUICK格式求解GAO-YONG可压湍流方程组,对二维零压力梯度可压平板湍流边界层进行了数值模拟。结果表明,不需要任何经验系数及壁面函数的GAO-YONG可压湍流控制方程组对较广马赫数范围(Ma=0.2～2.4)平板边界层各项参数(表面摩擦系数C_f,对数律,亏损律等)能做出良好的预测。      

壁湍流调制雷诺应力和拟序结构应变率空间形态的层析PIV实验研究

采用高时间分辨率的层析PIV技术,测量了水洞壁湍流三维速度分量空间分布的时间序列,应用局部平均速度结构函数概念对流向速度信号进行多尺度分解,以流向速度分量的局部平均速度结构函数过零点作为特征量检测壁湍流中拟序结构猝发的喷射和扫掠过程,应用空间相位平均技术提取拟序结构猝发的喷射和扫掠过程各速度分量、涡量分量、拟序结构速度应变率分量以及调制雷诺应力分量的空间相位平均拓扑形态。为了引入平衡态涡粘模型假设模拟调制雷诺应力,研究了拟序结构猝发过程中调制雷诺应力分量和速度变形率分量的空间分布形态,发现两者之间的空间相位分布不一致。由于存在时空相位不同步性,说明需要考虑大尺度拟序涡结构引起动量传递的时空弛豫效应。应用经典的线性平衡态下的Boussinesq涡粘模型不能准确地描述壁湍流拟序结构动量传递非平衡现象的物理机理。对于壁湍流拟序结构动力学方程中调制雷诺应力的模拟,应采用包含时空相位信息的复涡粘张量模型。由于雷诺应力与速度变形率的时空不同步性,对非平衡非局部湍流场的数值模拟提出了一个挑战性的问题,建议采用包含相位信息的复涡粘张量模型来模拟雷诺应力张量,从而更加符合雷诺应力演化的物理机理,这一模型有可能成为一个很有发展前景的封闭模型,从而更加准确地预测工业领域中广泛存在的非平衡湍流。     

使用GAO-YONG方程组对不可压转捩/湍流平板边界层的计算

与以往的湍流模型不同的是GAO-YONG不可压湍流控制方程组不需要任何经验系数及壁面函数。本文运用SIMPLE方法QUICK格式求解GAO-YONG方程组,对二维零压力梯度下平板转捩/湍流边界层进行了数值模拟。结果表明,方程不仅对于边界层流动的各项细节(如表面摩擦系数C_f,对数律,亏损律等)能作出良好的预测,成功地解决了以往一般模型不能同时计算近壁区和远壁区的难题,而且能够预报层流-湍流转捩过程。本文还对机械能方程如何影响边界层近壁区特性进行了数值研究。      

A Nonlinear Sub-grid Scale Model for Compressible Turbulent Flow

本文采用直接过滤的Navier-Stokes方程组作为可压缩湍流大涡模拟控制方程组。方程组中因过滤产生的高阶相关项用Taylor级数展开近似,但仅保留级数的一阶导数项。这样产生的误差相当于丢失了模型的部分耗散作用,本文用一种动力学非线性亚格子模型来补偿丢失的耗散影响。本文根据Caylay-Hamilton定理导出了一个非线性亚格子模型,模型中包含的系数由动力学模式确定。与传统的动力学Smagorinsky模式相比,这种动力学非线性模型(DNM)稳定性更好,且不需要在统计均匀方向进行统计平均来计算模型系数,因此减少了计算开销。本文用这种非线性亚格子模型对绕双椭球高超声速湍流进行了模拟,并将所得结果与实验值、计算值及理论值进行了对比。结果表明,本文模型可以有效地模拟可压缩湍流流场。     

湍流数据同化技术及应用

近年来数据同化（DA）被引入湍流动力学研究中,通过融合实验测量和数值计算,提高了实验测量的精度和广度,改善了数值模拟的预测性能。实验观测、预测模型和同化算法是数据同化的三要素,湍流研究中的实验观测包括热线风速仪、粒子图像测速法（PIV）、压力传感器等局部测量数据,预测模型主要指流动控制方程及湍流封闭方程,而同化算法包括贝叶斯推断、集合卡尔曼滤波（EnKF）、伴随等。稳态数据同化一般结合雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型方程,从重新标定模型常数、修正涡黏模型方程形式误差、修正雷诺应力项等方面着手。非稳态的数据同化一般包括四维变分（4DVar）等时间连续的数据同化方式以及顺序数据同化。4DVar通过时间正向和逆向积分迭代,存储量和计算量都非常大。顺序数据同化不需要时间逆向积分,可以在若干时刻对实验观测进行间断地植入,正向求解整个系统。另外,随着人工智能的飞速发展,湍流数据同化研究也向智能化迈进。对于纯数据驱动的湍流机器学习,其缺乏物理本质的约束,而基于物理信息的机器学习在物理本质上与数据同化是一致的。     

基于非Favre过滤的动力学非线性亚格子模型

采用直接过滤的Navier-Stocks（NS）方程组作为可压缩湍流大涡模拟控制方程组。方程组中因过滤产生的高阶相关项用Taylor级数展开近似表达,并仅保留级数的一阶导数项。因为截断级数产生的误差相当于丢失了模型的部分耗散作用,采用一种动力学非线性亚格子模型来补偿丢失的耗散影响。用模型模拟了超音速湍流平板边界层及绕双椭球高超声速湍流,并将所得结果与经验公式和计算结果进行了对比。对比表明模型可以有效的模拟可压缩湍流流场。     

低压涡轮叶型边界层相互作用的数值模拟

基于Lantry-Menter转捩模型,应用商用流体计算软件求解非定常雷诺平均N-S方程组,对进口雷诺数为2.5×104,来流湍流度为2.5%,尾迹折合频率为0.92状态下的尾迹/PAK-B叶型边界层的相互作用进行了数值模拟。数值计算揭示的尾迹在叶栅通道中的输运特性、尾迹诱导卷起涡形成、尾迹诱导边界层转捩等物理机制大致符合相关实验定性描述。     

守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

一维湍流（ODT）方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法,能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律,且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究,若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流,需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法,本文基于欧拉参考框架,针对可压缩湍流的特性,将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量,并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进,开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程,在随机性模块中构造一维涡时,将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量,并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对,验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合,精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法（LES-GRAD.DIFF.）以及耦合线性涡（LEM）亚格子模型的大涡模拟方法（LES-LEM）,且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。     

基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展

航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程,相关的高 精度建模和数值模拟面临极大的挑战。超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法,具备 试验室尺度和复杂工程应用场景下湍流流动与燃烧仿真能力。针对航空发动机燃烧室相关流动与燃烧基本特征,阐述了超大涡 模拟的理论方法及特点,从旋流流动、湍流燃烧、液雾雾化、碳烟生成、燃烧不稳定等典型多物理过程,以及双旋流模型燃烧室和高 温升燃烧室气动性能集成仿真等方面介绍了超大涡模拟的研究进展,对涉及的物理机制进行了分析,为超大涡模拟在航空发动机 燃烧室中规模化工程应用提供了坚实支撑。超大涡模拟在较低的计算资源消耗下具备与传统大涡模拟相当的计算精度,是一种 经济可承受的燃烧室高精度气动性能仿真新方法。     

变热线过热比可压缩流湍流度测量方法优化

开展了可压缩流中湍流度测量技术的优化研究，以满足对试验数据高精度评估的需求。在变热线过热比湍流度测量方法推导过程中，忽略了压力脉动项以简化湍流度求解过程。为更加准确评估高速风洞流场湍流度，引入了压力脉动项，以恒温热线风速仪响应关系式为基础，从理论上对可压缩流中湍流度的求解方法进行了优化。在马赫数0.3~0.7进行了湍流度测量试验，并分别利用优化前后的湍流度求解方法对试验数据进行了处理。结果表明两种求解方法所得的湍流度结果量值相近，但优化后的湍流度求解方法所得的湍流度结果随马赫数的变化趋势更加符合客观物理规律。利用蒙特卡洛模拟方法对湍流度的不确定度进行了求解，不确定度量值远小于湍流度量值，表明优化后的湍流度求解方法所得的湍流度结果基本能够代表真实值。试验结果证明了优化后湍流度测量方法的正确性及应用恒温热线风速仪对高速风洞流场湍流度进行测量的可行性。     

湍流模型源项的数值处理方法对计算结果的影响研究

涡粘性湍流模型广泛应用于各种工程湍流问题的计算。对于大多数湍流模型,在湍流控制方程的右端会出现源项,其刚性给数值计算带来很大的影响。从源项的物理意义出发分析了源项导致求解困难的原因,并在通用的求解湍流模型方程的点隐法基础上,以源项弱刚性的S-A湍流模型和源项强刚性的k-ωSST湍流模型为例,论述了生成项和耗散项之间的平衡关系对数值模拟的重要意义,给出了针对不同源项的具体处理方法。对RAE2882翼型跨声速流动算例的模拟结果表明,这些处理方法有效的提高了控制方程组的计算稳定性。     

计算全马赫数下粘性流动的隐式算法

把预处理方法引入到求解三维粘性流动的Navier-Stokes方程隐式格式算法中,并应用这种方法对平板算例在层流和湍流两种不同流态下及四个不同Ma数下进行了数值模拟,计算结果与理论值及相关公式吻合,同时对比分析了有无预处理情况下的收敛性,证明了本文所采用的预处理隐式算法对于任意马赫数都是适合的,而且可以提高残差精度量级,加快收敛。     

湍流边界层相干结构空间拓扑形态的 层析TRPIV测量

用层析TRPIV(time-resolved paticle image velocimetry)技术精细测量了水洞中平板湍流边界层三分量速度的时空序列信号,提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解.用空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,根据湍流多尺度涡结构在空间流向的拉伸和压缩特征,提出了新的湍流相干结构条件采样方法,检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构的“喷射”和“扫掠”事件中的速度、涡量等物理量的空间拓扑形态.发现在喷射和扫掠事件中均存在一对反向旋转的准流向“马蹄形”涡结构.      

湍流控制屏声学校准及校准精度影响因素

湍流控制屏（TCS）是航空发动机风扇噪声试验必备的试验设施。由于湍流控制屏的作用,风扇前传噪声向远场传播时会产生传递损失。通过对湍流控制屏的声学校准,可以获取湍流控制屏的声学修正量,从而实现对风扇前传噪声的修正。本文结合实际工程应用条件,分析了湍流控制屏重复安装的位置精度、校准声源重复性、稳定性、校准声源位置偏差、温湿度修正等因素对湍流控制屏声学修正量精度的影响;结合上述影响因素,对湍流控制屏160 Hz~40 kHz的声学修正量的特征进行分析,总结工程应用中湍流控制屏高精度声学校准的注意事项,提出湍流控制屏的声学校准应包含测量不确定度。     

Navier—Stokes（NS）方程组差分计算中的物理和网格尺度效应及NS方程组的简化

对于高Re数流动计算，在通常二阶精度NS差分格式和网格数条件下，存在某些粘性项落入修正微分方程截断误差项的问题。这类NS方程组计算实际是计算某种简化NS方程组，而且重复计算误差物理粘性项既浪费机时和内存，误差积累又会对数值解产生不可预测的影响，避免外述缺陷的办法一个提高NS差分格式的精度，另一个是丢掉可能落入截断误差项的物理粘性项，把NS方程组简化为广义NS方程组，广义NS计算避免了误差物理粘性项误差积累对数值解的不可知影响，又可节省内存和机时，对高Re数流体工程计算很有好处。利用广义NS方程组计算超声速绕前向和后向台阶流动的结果表明：广义NS方程组与NS方程组的数值结果很好相符符。