守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

作     者：陈崇沛 梁剑寒 关清帝 高天运 CHEN Chongpei;LIANG Jianhan;GUAN Qingdi;GAO Tianyun

作者机构：国防科技大学空天科学学院临近空间技术研究所长沙410073 国防科技大学国际关系学院南京210039 

出 版 物：《航空学报》 (Acta Aeronautica et Astronautica Sinica)

年 卷 期：2021年第42卷第S01期

页      面：75-88页

核心收录：

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主　　题：一维湍流(ODT) 可压缩湍流 数值模拟 守恒型 混合层 标量混合 

摘      要：一维湍流(ODT)方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法,能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律,且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究,若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流,需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法,本文基于欧拉参考框架,针对可压缩湍流的特性,将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量,并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进,开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程,在随机性模块中构造一维涡时,将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量,并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对,验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合,精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法(***.)以及耦合线性涡(LEM)亚格子模型的大涡模拟方法(LES-LEM),且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。