基于旋流强度亚格子模型的湍流间歇性研究

Generally observed at large Reynolds numbers, turbulence is a well-known difficulty and a hot point of research, it is widely occurred in the natural environment and the industrail、argricultrial engineering fluid flows. Observation and measurement indicate that turbulent flows can be incarnated by the motion of vortices. The mutually stretching and compressing of vorticies in turbulent flows lead to irregular fluctuations of velocities、temperature and mass fractions, which have broad spatial-temporal scale ranges. To explore turbulence at a full scale level, it is merely applicable in the case of comparatively low Reynolds number. Considering the substantial role of momentum transport and heat and mass transfer is played by large scale vortices in turbulent flows, the large eddy simulation(LES) of turbulent flows is expected to be a better simulation tool. The sub-grid models already reported in publications, havenot ascertained that under what kind of flow condition the direct numerical simulation can alternate the LES. Therefore, to overcome this discrepancy, we will use the concept of swirling strength to develop a swirling strength based sub-grid model for investigating the turbulence intermittency. We will design and develop the LES simulator and investigate the benchmarks in fluid mechanics and thermal science, such as the turbulent channel flows，the turbulent natural convection in a differentially heat cavity and wake flow, etc. For the to be proposed new sub-grid model, its primary characterics is: when the local swirling strength is zero, the local sub-grid viscosity must be vanished.

在大Re数下观察到的湍流, 是流体力学的众所周知的难点和研究热点, 广泛出现在工业、农业的流体工程和大自然环境中。观测表明，湍流流动体现在旋涡的运动。湍流中互相拉伸挤压的旋涡，导致很不规则的速度脉动、温度和质量分数脉动，而这些脉动具有很大的时、空尺度范围。要在全尺度上对湍流进行探索，只有在雷诺数比较低时才是可行的。考虑到湍流的大尺度旋涡， 对动量、能量和质量传递和输运起主导作用，计算湍流的大涡模拟（LES）方法, 前景看好. 已经发展的亚格子模型, 却没有明确大涡模拟可被直接数值模拟替代的条件。为了克服这一缺陷, 本项目拟以旋流强度为基础, 建立一种新的亚格子模型, 以研究湍流的间歇性。拟对槽道流、方腔中的自然对流和尾迹流等流体力学和传热学的标准问题, 自行开发模拟程序, 进行湍流的大涡模拟。这种新提的亚格子模型, 主要特点为: 在湍流场中, 当地旋流强度为零时, 当地亚格子粘性必然消失。

在大Re 数下发生的湍流， 是流体力学的难点和研究热点，广泛出现在工业、农业的流体工程和大自然环境中。考虑到湍流的大尺度旋涡， 对动量、能量和质量传递和输运起主导作用，湍流的大涡模拟（LES）方法, 前景看好。 而已经发展的亚格子模型， 却没有明确大涡模拟可被直接数值模拟替代的条件。为了克服这一缺陷， 本项目的主要研究内容是以旋流强度为基础， 建立一种新的亚格子模型, 以研究湍流的间歇性。在本项目NSFC (11372303) 的资助下， 课题组已经把基于旋流强度的亚格子模型，用于方腔中的自然对流和尾迹流等流体力学和传热学的标准问题的大涡模拟。建立了5阶以上精度的偏迎风格式 [biased in windward scheme (BWS)]，研究不可压射流的间歇性。这种新提的亚格子模型, 主要特点为: 在湍流场中, 当地旋流强度为零时, 当地亚格子粘性必然消失。本项目的大涡模拟研究，已经发表论文5篇，其中4篇为Sci收录的杂志论文，一篇为国内核心期刊论文，还有1篇待投稿；资助博士生1名，开展了与本项目内容相关的科研，并顺利通过博士论文答辩。本项目资助的大涡模拟结果，给出了旋流强度间歇性因子的分布，反映了湍流运动的一些间歇性特征，表明了基于旋流强度的亚格子模型的应用潜力。