旋转和热分层耦合效应作用下壁面剪切湍流的大涡模拟和直接数值模拟研究

本项目着重开展旋转和热分层耦合效应作用下壁面剪切湍流的大涡模拟（LES）和直接数值模拟(DNS)研究，探讨这类复杂湍流的流动机理。研究内容主要包括：针对旋转和热分层的耦合效应，开展Navier-Stokes(NS)方程的计算方法研究，发展相应的高精度数值方法及相关的高效并行计算方法；基于理论分析和DNS研究，结合考虑旋转和热分层耦合效应的NS方程，研究旋转、热分层和壁面剪切效应对亚格子尺度(SGS)应力和湍流热通量的综合影响，发展适用于旋转和热分层耦合效应作用下壁面剪切湍流的SGS应力和湍流热通量模型；通过大规模LES和DNS计算，开展旋转和热分层耦合效应作用下壁面剪切湍流的机理性研究，如探讨湍流中的波-涡（或热羽流-涡）非线性干扰、温度边界层和Ekman边界层及湍流边界层的相互作用；研究湍流能量的级串和衰减、大尺度对流和湍流掺混传热机制的竞争、拟序涡结构和流动传热模式之间的关系等。

在本项目资助下着重开展了旋转和热分层耦合效应作用下壁面剪切湍流的大涡模拟（LES）和直接数值模拟(DNS)研究，以及相关复杂湍流机理的数值模拟研究，主要进行了如下几个方面的研究：旋转和热分层耦合效应作用下壁面剪切湍流的数值方法研究；旋转和热分层耦合效应作用下双固壁湍流的LES研究；旋转和热分层耦合效应作用下带自由面湍流的DNS研究；拓展研究了高聚物弹性诱导(或驱动)的复杂湍流和非线性流态转换问题，以及复杂气泡湍流的流动物理研究。本项研究取得了以下研究成果：发展了求解旋转和热分层耦合效应作用下壁面剪切湍流的数值模拟方法，包括基于分裂步的差分投影法和三维全隐谱方法及相关的高效并行算法；系统研究了固壁和自由面对旋转热分层湍流中的复杂流动物理和掺混传热特性，包括温度边界层、速度边界层和Ekman边界层的相互作用，以及旋转诱导的大尺度柱状气旋涡结构和高旋转率导致的流场湍化减弱效应对湍流掺混和脉动传热复杂影响，深入揭示了旋转和壁面效应对湍动能、雷诺应力和湍流热通量的生成、耗散和再分配等动力学过程的影响；首次数值模拟再现了实验观测到的弹性诱导的湍流频谱特性，分析了弹性诱导的湍状复杂流动的基本特性和流动机理；在Taylor-Couette(TC)湍流中发现了弹性诱导的大尺度涡破碎及其导致的阻力剧增现象，揭示了这些现象蕴涵的物理机理；深入揭示了气泡湍流的流动物理及气泡运动分布特性。