多种条件下流动转捩与多尺度湍流大分离统一建模研究

Understanding and computing turbulence /transition phenomena are the key issues in aeronautical and aerospace engineering. One important direction for the development of computational fluid dynamics (CFD) in the next two decades is to develop high-fidelity hybrid RANS/LES turbulence models for flow with multi-physics, which have good resolution for the small-scale turbulent structures and acceptable consumption for computational resources. The prediction for flow with multi-physics requires the hybrid RANS/LES model being able to predict the turbulence including the transition process. However, the traditional transitional turbulence models have several limitations: the ability of the transition prediction is not universal, for application under different Mach range or Reynolds number range, the model shall be re-calibrated or be corrected; the Galilean invariance is missing, thus it is not suitable for flow in multi-body motion coordinate systems; the construction of the model is very complex and the numerical robustness is poor. Base on these findings, this project makes use of von Karman length-scale, which contains the first and second order derivation of the velocity and plays a special role in the prediction of transition and large turbulence flow separation, to construct a new transition detector; then proposes a new transition criteria using the new detector based on varieties of experimental data or investigations; at last builds a model to predict transition and large-scale turbulent flow separation at the same time. The innovation of the project is to propose the new transition criteria based on only local variables under different flow conditions, as well as a unified modelling approach for transition-turbulence phenomena. The final goal is to develop a model with simple equations, robust in performance to serve the industrial applications.

理解和计算湍流和转捩现象是航空航天领域的重大难题。对多物理现象的高可信度建模，开发对湍流结构具有较好解析效果，计算量可以接受的RANS/LES方法，是未来20年计算流体力学发展的重要方向。多物理现象的预测要求RANS/LES湍流模型能够对包含转捩过程在内的多种湍流现象同时预测。但是，传统带转捩的湍流模型有如下缺点：通用性差，在不同马赫数和雷诺数应用需求下要求重新标定或者修正模型；不满足伽利略不变性，不适合多体运动坐标系；构造复杂，计算稳定性差。基于此，本项目利用包含一阶和二阶速度梯度信息的von Karman长度尺度在转捩预测和大分离预测中的特殊作用，构造基于当地量的转捩感受变量；基于大量的实验数据，提出新的多种条件下的转捩判据，构建转捩-湍流大分离统一预测模型。项目创新点是新型基于当地变量的转捩判据和转捩-湍流统一预测。最终目标是发展模型构造简单，鲁棒性好的新型模型，服务工业需要。

本项目着眼对湍流/转捩问题进行建模研究，基于von-Karman长度尺度开发一种新的模型，供工业需求使用。拟基于二阶速度梯度的转捩关键指示雷诺数的构造会增加建模的难度，主要原因是von-Karman长度尺度作为具有长度量纲的量，在层流边界层中的物面附近的值较大。基于此变量构造的关键雷诺数对网格的敏感性高，且和已有的转捩判据之间的关系过于复杂，难以用简单的表达式拟合，因此，利用二阶以上速度梯度信息的转捩判据的方法，不太容易构造出更好的转捩模型出来，此结论为后续转捩模型的开发提供了经验和教训。针对目前认为比较受工业界认可的-Reθt模型在高雷诺数自然层流构型上的应用出现的问题，进行了网格敏感性研究，从涡量雷诺数的构造上，说明了计算网格正交性的重要性，否则会导致壁面距离计算不准确导致提前转捩的问题。另外，转捩模型所需要的网格密度远超过全湍计算的网格量，对流向，法向和展向方向的网格均要达到相当的数量。如在千万量级的翼型网格上，翼型的流向上布置600个以上的点，法向上网格增长率小于1.05，方能得到接近网格收敛的解，表明层流-转捩计算对网格的高要求，否则会导致提前转捩的发生，此结论具有重要的应用前景，为转捩模型的使用提供网格上建议。针对转捩模型在应用过程中需要保持一定的背景湍流度问题，提出了新型的对初值敏感性大幅度降低的湍流衰减抑制策略，在二维翼型和三维椭球体上均有很好的应用。基于此湍流衰减抑制策略的方式，可以消除因为初值敏感性带来的难题，为相互之间结果的对比提供了依据。对复杂射流引起的流动的研究表明，流动中存在强的压力梯度、强剪切、流线弯曲等现象，常规的湍流模型因缺乏足够的验证和确认工作，计算结果的准确性存在很大的疑问，需要组织更多的科研力量投入到常规湍流模型的开发和校核工作，为航空工业的应用需求提供技术支撑。