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不可压缩Kolmogorov湍流中动态亚格子模型的四维变分数据同化研究

批准号:
12102391
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李健
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:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李健

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
大涡模拟(LES)是研究非定常湍流的有效工具,在涉及湍流的工程领域中发挥着重要作用。在LES中,亚格子(SGS)模型的准确性是LES成功的关键,有待进一步提高。四维变分数据同化(4D-VarDA)方法可利用条件约束将模拟流场和真实流场之间的误差最小化以获得最优模型参数,故此方法和真实湍流场相结合是SGS模型优化的一种新思路。本项目以三维不可压缩Kolmogorov湍流为研究对象,采用4D-VarDA方法并结合Germano等式对LES中的动态SGS模型(包括涡粘模型和混合模型)进行优化,以获得最优SGS模型及其对应的最优流场和统计量;揭示最优SGS模型中各物理量之间的关系;考察不同雷诺数、目标数据解析度、收敛因子和同化时间窗对优化结果的影响;比较最优SGS模型、DNS和其他常用模型的模拟结果。本项目的开展不仅可以拓展SGS模型的优化途径,还可为LES中SGS模型的改进提供实际帮助。
英文摘要
Large Eddy Simulation (LES) is an effective tool to investigate the unsteady turbulent flow, and plays a vital role in engineering applications. In LES, the accuracy of subgrid-scale (SGS) model is the key point to the successful implementation of LES, which needs to be furthermore improved. Four-dimensional variational data assimilation (4D-VarDA) method can minimize the discrepancy between the simulated flow fields and the real flow fields by using conditional constraints, which can obtain the optimal model parameters. The application of this method to the real turbulent flow fields is a new idea for the optimization of SGS model. In this project, the three-dimensional incompressible Kolmogorov turbulence is taken as the research object. In order to obtain the optimal SGS model and its corresponding optimal flow fields and statistics, the 4D-VarDA method and the Germano identity are adopted to optimize the dynamic SGS model (including eddy viscocity model and mixed model) in LES. The relationships between various physical quantities in the optimal SGS model are revealed; The effects of Reynolds numbers, resolutions of target data, converging factors and assimilation periods on the optimization results are investigated; The simulation results of the optimal SGS model, DNS model and other common models are compared. Eventually, the development of this project can not only develop the optimization approach of SGS model, but also provide practical help for the improvement of SGS model in LES.
湍流模拟在航空、航天、航海、燃烧、气象等领域具有重要应用价值,开发高效且精确的模拟方法是学术界与工业界的共同目标。作为研究湍流非定常特性的重要方法,大涡模拟(LES)的预测精度主要依赖于亚格子(SGS)模型的构建。本项目针对三维不可压缩Kolmogorov湍流,采用四维变分数据同化(4D-VarDA)方法并结合表征湍流小尺度自相似特性的Germano等式,通过同化时间序列的直接数值模拟(DNS)流场信息优化SGS模型,以提升LES的瞬态模拟性能。主要研究内容包括:多尺度耦合条件下LES的数据同化;数据同化特征的量化与标度;Smagoringsky模型和非线性混合模型的4D-VarDA优化。得到的重要结果和结论包括:(1)揭示了LES数据同化存在耦合尺度阈值(即数据同化所需的最少大尺度数据信息),其中动态非线性混合模型阈值最大,标准Smagorinsky模型阈值最小,且后者在大滤波尺度下与滤波DNS之间的相关性最高;(2)证明了最大Lyapunov指数可量化LES的数据同化特征,其与滤波DNS的最大Lyapunov指数具有一致的标度关系,为LES数据同化特征的预估提供了理论依据;(3)通过4D-VarDA优化Smagoringsky模型,可显著提升瞬态流场分布的模拟精度,优化模型的预测结果优于传统标准Smagorinsky和动态Smagorinsky模型;(4)对于非线性混合模型的优化,其优化结果的预测精度相比传统动态非线性混合模型有一定提升,但随着雷诺数增加,优化效果有所减弱。
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