一种适用于复杂湍流的动态自适应分离涡方法

旋涡分离流动广泛存在于自然界与工业生产当中，研究其形成机理以及分离后涡的演化规律具有重要的理论意义与应用价值。针对该类流动的数值模拟，近年来发展出了分离涡模拟方法(Detached-Eddy Simulation，DES)。研究表明，现有DES方法大都存在网格诱导分离(Grid Induced Separation，GIS)、解对初值的选择过于敏感等问题。分析表明，出现上述问题是因为现有DES方法在建立DES特征尺寸时过于单纯强调空间网格的影响，而忽略或低估DES特征尺寸与流动特征密切相关。本研究将通过量纲分析法与摄动分析法相结合，深入分析流动特征尺寸，着重考虑流动特征对DES特征尺寸构建的反馈机制，以期发展出一种可以根据流动特征动态自适应调节DES特征尺寸的新型分离涡模型。本项研究科学意义明确，研究成果可广泛应用于航空航天、船舶、汽车、风工程等相关领域的复杂湍流的理论研究与工程设计。

本项目的研究分为两部分，一部分是按照项目计划任务书完成了具有动态自适应尺度的分离涡模型的构建工作，指出了DES模型在构建时需要满足的条件和建立的依据，并给出了一种DES特征尺寸的具体形式，该DES特征尺寸不再单纯依赖计算网格，而是充分包含流动物理特征在里面。通过理论分析和数值验证表明该DES模型在边界层内表现为RANS行为，在分离区表现为LES行为，并且这种切换不需人工干预可以自动进行。另外，项目还尝试开展了第二部分的探索研究。这部分的研究未在项目计划任务书里，属于第一部分的延伸研究。这部分研究主要是基于不动点概念，在国际上首先建立了求解非线性问题的不动点分析法，并已将该方法成功应用于多个流体力学问题中。并正在尝试用该方法进一步提升非定常流动计算中常用的双时间步法计算效率，希望可以改善目前工程复杂湍流数值模拟昂贵的的时间成本。在该项目的支持下，目前已正式发表期刊论文8篇，其中4篇SCI国际论文，4篇中文核心文章，会议文章3篇，其中1篇国际会议文章，2篇国内会议文章。