激波-湍流边界层干涉中的湍流机理和模型改进研究

This project is dedicated to investigate the complex flow mechanism and turbulence modeling in shock-turbulent boundary layer interaction (STBLI). Firstly, a newly developed low-dissipation shock-capturing scheme will be adopted to conduct the direct numerical and large-eddy simulations of STBLI and built high fidelity flow database. The study of complex flow mechanisms, such as the low-frequency large-scale shock movement, the turbulence amplification mechanism and the non-equilibrium turbulence transport property will then be developed based on the flow data analysis. Further improvement of the turbulence models will be made with deeper insight into the turbulence mechanism and turbulent transport property in STBLI acquired in the previous research. By using the method of improving turbulence based on turbulence transport nature, the non-equilibrium turbulence transport property will be at last modeled and introduced to the turbulence model in Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS) to improve the accuracy of RANS in STBLI and its reliability in the hypersonic engineering.

本课题旨在采用直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）方法对激波-湍流边界层干涉（STBLI）现象进行机理研究，通过分析STBLI中的非平衡湍流输运特性和深入挖掘其中的物理机制来发展湍流模型，提高雷诺平均方法（RANS）对STBLI模拟的准确性和在高超工程应用中的可靠性。为达到该研究目标，本课题将首先利用课题组发展的低耗散保单调格式对STBLI开展DNS和LES，获得高精流场数据库。通过对流场数据的分析，本课题将研究STBLI中的激波大尺度低频运动现象、湍流增强机理和湍流非平衡输运特性等关键流动问题，并挖掘其中的物理机制。在此基础上，本课题将进一步发展课题组提出的"基于湍流输运特性改进湍流模型"的方法，将STBLI中的非平衡输运特性通过建立合理的数理模型引入到湍流模型中，最终提高RANS对STBLI的模拟精度。

激波/湍流边界层干涉（SWTBLI）是高速飞行器及其动力系统中最为关键的流动现象，决定了高速飞行器的性能和稳定性。由于SWTBLI的多尺度、非定常和强非平衡特性，工程上难以对其进行准确的模拟和预测，制约了高速飞行器的研发。同时，由于高速流动中的实验测量非常困难且成本高昂，且能够获得的数据非常有限，难以用来开展详细的机理研究。基于以上背景，本课题采用高性能数值模拟为途径，对高速飞行器内外流中的一系列关键的SWTBLI现象开展了机理研究；并基于非平衡湍流输运特性改进了工程常用湍流模型，支撑了高速飞行器的工程研发。本课题首先发展了高阶低耗散的激波捕捉格式，并发展了高性能流体仿真程序ASTR，为本课题的开展提供了高效的数值工具和计算平台；在此基础上，本课题对一系列关键的SWTBLI问题开展了高精度数值模拟，建立了SWTBLI的高精数据库；其中本课题针对马赫5的三维单鳍流动的大涡模拟是国内外首次对三维SWTBLI的大涡模拟研究。在此基础上，通过对SWTBLI数据库的分析，开展了对其中湍流机理的研究，发现了一系列SWTBLI中新的流动结构和现象。针对SWTBLI中的非平衡输运机理，本课题提出了SWTBLI中分离点附近湍流能量的生成和当地逆压梯度的直接关系。基于对湍流机理认识的深入，本课题针对工程常用的SA模型开展了改进研究；通过引起逆压梯度因子改善了SA模型的生成项，并通过高精数据库的校核最终改进了SA模型对SWTBLI这一类流动的预测精度。本课题分别在基础应用数学、CFD程度开发、大规模并行计算方法，高速气体动力学、复杂非平衡湍流机理以及湍流模式这几个方面开展了研究，在计算数学、流体物理和航空航天等国内外期刊了发表了学术论文，实现了以高精度数值模拟和基础机理研究来支撑工程研发的研究思路。