36572.激波—湍流邊界層干擾問題的高精度方法及其數(shù)值模擬

1、摘要本文針對(duì)激波湍流邊界層干擾(SWTBLI)問題，開展了高精度數(shù)值方法研究，并進(jìn)行了直接數(shù)值模擬(DNS)。在此基礎(chǔ)上對(duì)流動(dòng)機(jī)理及模型也進(jìn)行了探索。具體如下：(1)提出了一種非線性的高精度高分辨率格式——加權(quán)群速度控制格式(wGVC)。這種格式除了具有高精度高分辨率能力外，還保留了原來群速度控制理論(GVC)的中等激波捕捉能力。從而非常適合作為混合格式中用在光滑區(qū)的子格式，以解決混合格式中開關(guān)函數(shù)將過多極值點(diǎn)誤判為間斷點(diǎn)的問題。在此基

2、礎(chǔ)上構(gòu)造了一類WGVCWENO混合格式。此外，本文還提出了一種保單調(diào)的迎風(fēng)緊致格式。該差分格式保留了原迎風(fēng)緊致格式波數(shù)分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，并大幅提高了其激波捕捉能力，有效克服了過激波產(chǎn)生的非物理振蕩。通過一系列典型算例，對(duì)上述方法進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明：與同階精度的WENO格式相比，本文構(gòu)造的格式具有更高的小尺度分辨率及更低的數(shù)值耗散，為激波一湍流邊界層干擾的DNS提供了有效的數(shù)值方法。(2)利用上述7階WGVC—WENO格式，對(duì)來流馬赫

3、數(shù)為23、入射激波角為3242。的斜激波一平板湍流邊界層干擾問題進(jìn)行了直接數(shù)值模擬。通過和已有的相關(guān)理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。(3)利用上述DNS數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地探討了逆壓梯度對(duì)可壓縮湍流邊界層的影響。通過對(duì)湍動(dòng)能分配機(jī)制，應(yīng)力和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)逆壓梯度的存在，使得能量發(fā)生了再分配現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致：一，近壁區(qū)，逆壓梯度的作用是使得湍流呈現(xiàn)軸對(duì)稱湍流性質(zhì)，而壁面無滑移條件的約束，法向的脈動(dòng)受到抑制，使得湍流呈現(xiàn)二

4、分量湍流的性質(zhì)。湍流在近壁區(qū)呈現(xiàn)軸對(duì)稱二分量湍流湍流的性質(zhì)。沿著法向往外，由于壁面約束的減弱，法向脈動(dòng)逐漸激發(fā)，使得湍流的各項(xiàng)異性程度減弱。這個(gè)時(shí)候流場(chǎng)的各項(xiàng)異性特征與混合層的各項(xiàng)異性特征較為接近。二，在外層，逆壓梯度越大，外層的渦結(jié)構(gòu)越強(qiáng)。發(fā)卡渦(發(fā)卡渦包)的增強(qiáng)最終會(huì)導(dǎo)致湍流的增強(qiáng)，導(dǎo)致湍流生成項(xiàng)在外層出現(xiàn)了極大值。(4)利用上述DNS數(shù)據(jù)，證實(shí)了實(shí)驗(yàn)上關(guān)于反射激波存在低頻振蕩的論點(diǎn)。通過對(duì)比兩種工況(強(qiáng)分離情況和弱分離情況)的壁面