沿平板可压缩湍流边界层的直接数值模拟

湍流广泛存在于自然界和工程应用中。可压平板湍流是一种典型的壁湍流，对其进行直接数值模拟研究是壁湍流机理研究的基础。本文采用高精度紧致型差分格式求解三维可压N-S方程，利用MPI并行程序，直接数值模拟了来流马赫数为M的＝2．25，雷诺数为Re＝635O00／in．的空间发展的可压缩平板湍流边界层。本文主要研究了如下一些问题。方法研究方面：●针对壁湍流流动的特点，文中提出了与基于非等距网格高精度紧致型差分格式相结合的简化的迭代一隐式时间推进法，建立了可压缩平板湍流边界层直接数值模拟方法。提高了计算效率，并给出了迭代收敛的条件。●研究了不同网格加密方法对数值解分辨率的影响，指出在保证近物面附近物理平面内网格是均匀的条件下，采用坐标变换的方法也可得到近物面高分辨率的数值解，纠正了人们认为只有在基于非等距网格上才能得到高分辨率解的观点。●采用包括前缘在内的二维可压平板层流边界层直接数值模拟结果为三维可压平板湍流边界层计算提供上游边界条件，解决了国外采用的局限性很大的经验公式带来的不相容问题。物理问题的模拟研究：●在国内首次给出了超声速平板边界层从层流经bypass转披直到充分发展湍流的整个过程。所得流场统计特征（如平均速度分布，物面摩阻系数，脉动速度的均方根等）与相关理论和实验符合甚好。这些结果充分证实了本文所建立的数值方法的有效性和所得结果的可靠性。●在此基础上，文中分析了可压平板湍流边界层内的拟序结构的形成过程。研究了初始扰动对平板边界层流动转挨特征的影响，指出上游初始扰动中展向的非对称性是形成bypass转挨的关键因素，且较大的时间扰动频率使得边界层转披位置后移。这些结果为壁湍流控制提供一定依据。●在此基础上研究了可压缩效应对平均流动特征以及湍能的生成和耗散特征的影响，指出在Mc∞=2.25的情况下，Morkovin假设基本成立。但可压缩效应使得边界层内层中过渡层加宽；拟序结构有明显差别。与不可压相比上抛、下扫对不同区域的作用有所不同。在近壁区，湍动能方程中的压力-膨胀项和压力-速度相关项仍是不可忽略的量，这导致声的产生和可压缩效应对湍流的发展所产生的抑制作用。