可压缩螺旋湍流的基本理论与应用研究
批准号:
12072349
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
于长平
依托单位:
学科分类:
湍流与流动稳定性
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
于长平
中文摘要
可压缩螺旋湍流广泛存在于超新星爆炸、星系密度云演化以及高超声速飞行器外部流动、航空发动机内流、热核聚变湍流混合等自然及工程流动中。可压缩条件下手性的破缺带来更复杂的流动结构及波涡相互作用等新的物理现象,本项目在已有的不可压螺旋湍流及不考虑螺旋度效应的可压缩湍流的研究基础上,同时考虑强压缩性、手性破缺以及各向异性等因素的影响深入研究湍流结构演化及不同尺度上的湍流统计特性。重点研究强压缩条件下动能及螺旋度联合级串在物理空间的尺度交互局部性问题、多尺度多方向传输;能量级串与螺旋度级串相互作用规律;壁湍流中能量与螺旋度联合级串的空间尺度分布以及对可压缩湍流动力学过程的影响。拟开展超大规模可压缩螺旋湍流直接数值模拟,采用多尺度滤波、广义螺旋波分解以及多尺度梯度展开等分析手段研究可压缩螺旋湍流的内在物理规律,并应用所得到的基础理论为可压缩湍流大涡模拟模型的建立提供有效的解决方案。
英文摘要
Compressible helical turbulence exists widely in natural phenomena and engineering flows, such as supernova explosion, evolution of galaxy density cloud , external flow of Hypersonic vehicle, internal flow of aero-engine, turbulent mixing of inertial confinement fusiondesign, etc. On the basis of the existing studies on incompressible helical turbulence and compressible turbulence ignoring the helicity effect, this fund conducts an in-depth study on the statistical characteristics of turbulence with different scales under the influence of strong compressibility, chiral breakage and anisotropy. The research will focus on the problem of locality of scale interaction and multi-scale and multi-direction transmission of the joint cascade of kinetic energy and helicity in physical space under strong compressibility, the law of the interaction between energy cascade and helicity cascade, spatial scale distribution of joint cascade of energy and helicity in wall turbulence and its influence on the dynamic process of compressible wall turbulence. Superlarge-scale direct numerical simulation of compressible helical turbulence will be carried out, and the internal physical laws of helical turbulence will be studied by means of multi-scale filtering, general helical wave decomposition, helical wave decomposition, multi-scale gradient expansion, etc. Then, the new physical laws from compressible helical turbulence will be applied to modify or build new compressible large-eddy simulation model.
可压缩螺旋湍流广泛存在于超新星爆炸、星系密度云演化以及高超声速飞行器外部流动、航空发动机内流、热核聚变湍流混合等自然及工程流动,研究可压缩螺旋湍流对于飞行器气动设计具有指导意义。对于该问题的深入研究有助于我国抢占科技制高点。研究结果发展和完善可压缩螺旋湍流级串理论,发现能量谱可能出现偏离Kolmogorov斜率而转向Burgers斜率的现象,螺旋度谱在马赫数变化的过程中保持稳定;将螺旋度级串理论,从均匀各向同性流动推广到一般各向异性的槽道湍流中来,建立基于壁面距离的尺度依赖关系,发现了尺度螺旋度与条带结构之间存在着的密切关联,旋转抑制了对数区中的涡旋,从而抑制相干结构的破坏和前向级联;证实螺旋度对可压缩湍流动力学过程的影响,发现螺旋湍流中逆级联和能量增长率的降低可以归因于螺旋度的存在抑制了两种手性间的相互作用以及2D模态,深化了对于湍流的认识;利用可压缩湍流中能量螺旋度联合级串相关理论给出可行的可压缩湍流大涡模拟模型建模方案,提出了基于动能通量和双通道螺旋度通量的可压缩湍流约束模型和基于螺旋度的亚格子螺旋度一方程模型,提升了数值模拟的准确性,为飞行器的复杂湍流大涡模拟提供了模型保障。为国防科技中飞行器的气动外形设计问题和天体物理中的星系起源等重大科学问题提供理论依据。此外,本项目开展强可压、高雷诺数、高螺旋度的各向同性湍流的直接数值模拟,开展高马赫数、高雷诺数的可压缩槽道湍流的直接数值模拟,获得翔实可信的湍流数据库,为国内外同行提供数据支撑。综上所述,本项目深化了对可压缩螺旋湍流的机理认识,为可压缩螺旋湍流的数值模拟提供了数学模型保障,为后续可为航空航天等国家前沿战略科技中基础问题的热点、难点问题的解决提供基础。
可压缩壁湍流多尺度依赖的大涡模拟理论及应用研究
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批准号:11472278
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项目类别:面上项目
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资助金额:86.0万元
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批准年份:2014
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负责人:于长平
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依托单位:
国内基金
海外基金