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题名	可压缩转捩及湍流的大涡模拟模型与应用
作者	周浩
答辩日期	2020-05
文献子类	博士
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	李新亮
关键词	可压缩流动 转捩及湍流 大涡模拟 建模
其他题名	Modeling and applications of large eddy simulation for compressible transitional and turbulent flows
学位专业	流体力学
英文摘要	流体力学中的转捩/湍流问题仍旧是经典力学中的世纪难题之一，它遍布在自然界和实际工程中，例如在飞行器的设计中常常涉及转捩/湍流问题，而目前常用的研究转捩/湍流的手段主要为实验、理论研究、数值模拟三个方面。而大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）作为数值模拟中的一种模拟方法，相对于其他两种模拟方法（直接数值模拟 DNS、雷诺平均模拟 RANS）在计算精度和计算资源占用上都是一个是经济合适的选择，它能够捕捉到我们需要的大多数信息，随着实际工程对计算精度的逐渐提高，大涡模拟在转捩/湍流的流动分析与研究中起着越来越重的作用。而在大涡模拟中，最关键的一环就是大涡模拟模型的建立，所建立模型的正确性和准确性对大涡模拟起着至关重要的作用。本文首先介绍讨论了不可压缩流动中大涡模拟的基本原理和整体思路以及在可压缩流动中的发展，通过文献调研发现已有的大涡模拟模型在完全充分发展的湍流中能够得到较好的验证和预测，但是在转捩问题上，现有模型都或多或少的存在一些缺陷和不足。而大涡模拟的模型大体上可以分为两类：具有高鲁棒性低相关性的涡粘模型和具有高结构相关性低鲁棒性的结构模型。     本文推广了基于螺旋度的大涡模拟涡粘模型。首先量纲分析和先验分析发现螺旋度模型在可压缩流动中可以有效地识别层流区和湍流区，之后通过数值验证，可以看出螺旋度模型可以很好地预测流动的转捩位置、以及分离流中的分离点和再附点位置和分离泡的位置和大小，同时与动态求解方法相比具有更高的计算效率，且更易于应用到复杂外形流动中。     本文建立了基于能流相似的大涡模拟方法。通过能流这一物理因素有效结合了结构模型结构相关性强和涡粘模型计算鲁棒性强的特点，使之在模拟可压缩转捩/湍流问题上有了更准确的结果。利用了槽道湍流的 DNS 数据给出了能流修正公式 Δ，针对梯度模型在湍流流动中的不稳定性，选择 Smagorinsky 模型作 为求解滤波后的 N-S 方程的基准模型。基于能流相似的大涡模拟方法既考虑了模拟的稳定性，又考虑了与实际流动的相似性，同时它在一定网格范围内具有尺度自适应功能，突破了传统 LES 中尺度不变性的局限，通过数值验证发现较好地解决了可压缩流、转捩流和分离流等 LES 中的经典难题。     本文采用大涡模拟 (LES) 和直接数值模拟 (DNS)，研究了高超声速平板边界层 (Ma=6) 中条纹板对表面摩擦阻力的影响。分析发现条纹板的存在会破坏近壁区域原有的结构，对条纹板的减阻机理做了初步研究并给出了选合适的参数(ℎ = 0.4 , = 1.5 ) 为飞行器的湍流设计提供了参考。
语种	中文
内容类型	学位论文
源URL	[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/81958]
专题	力学研究所_高温气体动力学国家重点实验室
通讯作者	周浩
推荐引用方式 GB/T 7714	周浩. 可压缩转捩及湍流的大涡模拟模型与应用[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020.

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