内部资料 注意保存 学科政策动态 第18期 国家自然科学基金委员会 2014年l月25日 政策局 (总第184期) 湍流的理论与实验研究 第110期双清论坛学术综述 编者按:湍流是流体力学界公认的难题,被认为是经典物理学中 最后一个未被解决的问题。自然界和工程领域的绝大多数流动都 是湍流,因此湍流硏究具有重大意义。近年来,随着实验测量技 术和数值模拟能力的不断增强学术界对高雷诺数和高马赫数湍 流有了许多新的认识。我国科学界也结合国家重大战略需求和学 科发展前沿,分析国际上湍流研究的特点、现状和发展趋势,希 望对湍流产生机制和流动本质进行深λ硏讨加强与航空、航天、 航海等相关单位和部门间的沟通与联系,推动湍流研究的发展。 针对国内学科发展现状,尤其是实验研究相对薄弱的特点,国家 自然科学基金委员会数理科学部、工程与材料科学部和政策局, 于2014年3月20-21日在北京联合举办了第110期双清论坛, 论坛主题为“湍流的理论与实验研究"。来自全国15个单位的近 50位流体力学与工程领域的专家学者应邀出席。与会专家通过
1 内部资料 注意保存 学科政策动态 第 18 期 国家自然科学基金委员会 2014 年11 月25 日 政 策 局 （总第 184 期） 湍流的理论与实验研究 ——第 110 期双清论坛学术综述 编者按：湍流是流体力学界公认的难题，被认为是经典物理学中 最后一个未被解决的问题。自然界和工程领域的绝大多数流动都 是湍流，因此湍流研究具有重大意义。近年来，随着实验测量技 术和数值模拟能力的不断增强，学术界对高雷诺数和高马赫数湍 流有了许多新的认识。我国科学界也结合国家重大战略需求和学 科发展前沿，分析国际上湍流研究的特点、现状和发展趋势，希 望对湍流产生机制和流动本质进行深入研讨，加强与航空、航天、 航海等相关单位和部门间的沟通与联系，推动湍流研究的发展。 针对国内学科发展现状，尤其是实验研究相对薄弱的特点，国家 自然科学基金委员会数理科学部、工程与材料科学部和政策局， 于 2014 年 3 月 20-21 日在北京联合举办了第 110 期双清论坛， 论坛主题为“湍流的理论与实验研究”。来自全国 15 个单位的近 50 位流体力学与工程领域的专家学者应邀出席。与会专家通过
充分而深入的硏讨,凝练了该领域的重大关键科学问题,探讨了 前沿硏究方向和科学基金资助战略。本期特刊登此次论坛学术综 述 湍流研究的重要意义 自1883年雷诺( Reynolds)发现湍流以来,湍流问题的硏 究一直困扰着众多学者。著名物理学家费曼曾说,湍流是经典物 理学中最后—个未被解决的难题;2005年《科学》杂志在其创 刊125周年公布的125个最具挑战性的科学问题中,其中至少两 个问题与湍流相关。 在我们日常生活中,湍流无处不在。自然界和工程应用中遇 到的流动,绝大部分是复杂的湍流问题。在自然界,从宇宙星系 的时空演化,到星球内部的翻滚流动,从大气环流的全球运动 到江河湖泊的区域流动,都有湍流的身影。在工程领域,从陆地、 海洋、空天等交通运载工具,到原子弹、氢弹、导弹、战斗机、 舰船等国防武器的设计;从全球气象气候的预报,到地区水利工 程的设计;从传统行业如叶轮机械、房桥建筑、油气管道,到新 兴行业如能源化工、医疗器械、纳米器件的设计,都需要了解和 利用湍流。因此湍流流动的研究不仅仅是一个学科发展的问题, 更具有重要的工程应用价值。 建立起一整套完整的理论体系描述其动力学特性,是湍流硏 究的核心。近几年来,在高雷诺数壁湍流硏究中,发现了大量和 传统认识不一致的新现象。尤其是在壁湍流中发现大尺度和超大 尺度拟序结构,以及在高雷诺数下湍流脉动量统计特性中发现第 二个均方根峰值等方面的最新研究成果,又一次激发了人们对湍 流生成和演化问题探索的兴趣。对湍流转捩问题的进一步硏究
2 充分而深入的研讨，凝练了该领域的重大关键科学问题，探讨了 前沿研究方向和科学基金资助战略。本期特刊登此次论坛学术综 述。 一、湍流研究的重要意义 自 1883 年雷诺（Reynolds）发现湍流以来，湍流问题的研 究一直困扰着众多学者。著名物理学家费曼曾说，湍流是经典物 理学中最后一个未被解决的难题；2005 年《科学》杂志在其创 刊 125 周年公布的 125 个最具挑战性的科学问题中，其中至少两 个问题与湍流相关。 在我们日常生活中，湍流无处不在。自然界和工程应用中遇 到的流动，绝大部分是复杂的湍流问题。在自然界，从宇宙星系 的时空演化，到星球内部的翻滚流动，从大气环流的全球运动， 到江河湖泊的区域流动，都有湍流的身影。在工程领域，从陆地、 海洋、空天等交通运载工具，到原子弹、氢弹、导弹、战斗机、 舰船等国防武器的设计；从全球气象气候的预报，到地区水利工 程的设计；从传统行业如叶轮机械、房桥建筑、油气管道，到新 兴行业如能源化工、医疗器械、纳米器件的设计，都需要了解和 利用湍流。因此，湍流流动的研究不仅仅是一个学科发展的问题， 更具有重要的工程应用价值。 建立起一整套完整的理论体系描述其动力学特性，是湍流研 究的核心。近几年来，在高雷诺数壁湍流研究中，发现了大量和 传统认识不一致的新现象。尤其是在壁湍流中发现大尺度和超大 尺度拟序结构，以及在高雷诺数下湍流脉动量统计特性中发现第 二个均方根峰值等方面的最新研究成果，又一次激发了人们对湍 流生成和演化问题探索的兴趣。对湍流转捩问题的进一步研究
希望通过寻找新的数学物理方法能准确地刻画转捩机理,为工程 中合理预测转捩位置提供理论依据。在可压缩流动领域,由于航 空航天科技发展的紧迫需求,人们正面临着与高速飞行相关的 系列复杂可压缩湍流问题,涉及激波、高雷诺数流、非定常流、 湍流、旋涡分离流、激波边界层干扰等,这些也是现代流体力 学重要的基础研究领域。 以周培源先生为代表,我国流体力学家在湍流研究领域取得 了丰硕的成果,在湍流统计理论、层次结构、拟序结构及间歇现 象等研究方面产生了重要的国际影响,在湍流模式理论、标量湍 流输运特性等方面取得了重要进展,同时结合国家重大需求,在 高超声速边界层转捩位置预测方面取得了一些成果。尽管湍流研 究取得了长足的进展,但是仍然不能满足工程应用的需求。在 2005年《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中,“可压缩湍 流理论”被列为“面向国家重大战略需求的基础硏究——航空航 天重大力学问题”的一个重要的研究方向,同时也是“大型飞机 工程”等三项重大科技专项急切需求的基础研究支撑。在2007 年,庄逢甘、顾诵芬、周恒、张涵信、崔尔杰5位院士作为主席 以“航空航天工程应用中的湍流与计算流体力学(CFD)硏究- 现状、问题与发展对策”为主题发起了第308次香山科学会议, 指出湍流是制约计箅流体力学发展和新型飞行器硏究的“瓶颈″ 可题。2010年,国家自然科学基金委员会和中国科学院联合发 布的《未来10年中国学科发展战略·力学》中也将“可压缩湍流” 列为优先发展领域。 对于实验技术的研发并将其应用于湍流研究中也越来越受 到研究者的重视。2006年荷兰代尔夫特大学的学者推出了一种 全新的层析粒子图像测速(PⅠV)实验技术,使得针对非定常复
3 希望通过寻找新的数学物理方法能准确地刻画转捩机理，为工程 中合理预测转捩位置提供理论依据。在可压缩流动领域，由于航 空航天科技发展的紧迫需求，人们正面临着与高速飞行相关的一 系列复杂可压缩湍流问题，涉及激波、高雷诺数流、非定常流、 湍流、旋涡分离流、激波/边界层干扰等，这些也是现代流体力 学重要的基础研究领域。 以周培源先生为代表，我国流体力学家在湍流研究领域取得 了丰硕的成果，在湍流统计理论、层次结构、拟序结构及间歇现 象等研究方面产生了重要的国际影响，在湍流模式理论、标量湍 流输运特性等方面取得了重要进展，同时结合国家重大需求，在 高超声速边界层转捩位置预测方面取得了一些成果。尽管湍流研 究取得了长足的进展，但是仍然不能满足工程应用的需求。在 2005 年《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，“可压缩湍 流理论”被列为“面向国家重大战略需求的基础研究——航空航 天重大力学问题”的一个重要的研究方向，同时也是“大型飞机 工程”等三项重大科技专项急切需求的基础研究支撑。在 2007 年，庄逢甘、顾诵芬、周恒、张涵信、崔尔杰 5 位院士作为主席 以“航空航天工程应用中的湍流与计算流体力学（CFD）研究— —现状、问题与发展对策”为主题发起了第 308 次香山科学会议， 指出湍流是制约计算流体力学发展和新型飞行器研究的“瓶颈” 问题。2010 年，国家自然科学基金委员会和中国科学院联合发 布的《未来 10 年中国学科发展战略•力学》中也将“可压缩湍流” 列为优先发展领域。 对于实验技术的研发并将其应用于湍流研究中也越来越受 到研究者的重视。2006 年荷兰代尔夫特大学的学者推出了一种 全新的层析粒子图像测速（PIV）实验技术，使得针对非定常复
杂流动进行全流场测量的体PⅣ技术进入真正的实用研究阶段。 该技术被很快地应用于流体力学的诸多领域,在壁湍流、自由剪 切流动、生物流动、对流、可压缩流动、两相流以及微尺度流动 等方面的应用成果层出不穷。而时间解析的层析PⅣV数据还能够 通过N-S方程还原与速度场耦合的三维压力场这使得这项实验 技术能应用于气动声学的研究大大拓展了传统实验测速手段的 应用范围。 由于湍流呈现出复杂的流动特性,这对传统的实验测量技术 提出了挑战,需要在定量测量技术方面进行创新。为此,在国家 自然科学基金“十二五”发展规划中,力学学科明确指出要“着 力扶持实验力学新方法和新技术研究"。在生物医学硏究中,针 对人体器官内的复杂流体力学问题,通过体外实验室模拟的研究 是一个在病理、药动力学和人造器官研究方面都具有重要价值的 方向,“体外诊断技术产品开发”重大项目被列为“十二五”863 计划生物和医药技术领域的支持重点。在现代空气动力学的研究 中,对大型飞机和先进飞行器的研发,往往要求它们具有优秀的 气动特性和可靠性,而高性能航空航天飞行器的发展,需要对非 定常复杂流动机理及其控制有深入的了解。因此,国家重大科技 专项中的大型飞机专项,将“试验系统的设计、开发和制造”作 为一个研发重点。此外,973计划也将“科学实验与观测方法、 技术和设备的创新”列为重点研究方向。由此可见,先进的流场 测量系统不仅是揭示流体力学物理现象所必须的重要技术手段, 而且对航空航天、生物医学等相关领域的技术进步具有重要的支 撑作用。 近几十年,国内外在湍流研究中确实取得大的进展,同时也 棫发感受到湍流机理硏究对转捩预测、高超声速飞行器稳定性和
4 杂流动进行全流场测量的体 PIV 技术进入真正的实用研究阶段。 该技术被很快地应用于流体力学的诸多领域，在壁湍流、自由剪 切流动、生物流动、对流、可压缩流动、两相流以及微尺度流动 等方面的应用成果层出不穷。而时间解析的层析 PIV 数据还能够 通过 N-S 方程还原与速度场耦合的三维压力场，这使得这项实验 技术能应用于气动声学的研究，大大拓展了传统实验测速手段的 应用范围。 由于湍流呈现出复杂的流动特性，这对传统的实验测量技术 提出了挑战，需要在定量测量技术方面进行创新。为此，在国家 自然科学基金“十二五”发展规划中，力学学科明确指出要“着 力扶持实验力学新方法和新技术研究”。在生物医学研究中，针 对人体器官内的复杂流体力学问题，通过体外实验室模拟的研究 是一个在病理、药动力学和人造器官研究方面都具有重要价值的 方向，“体外诊断技术产品开发”重大项目被列为“十二五”863 计划生物和医药技术领域的支持重点。在现代空气动力学的研究 中，对大型飞机和先进飞行器的研发，往往要求它们具有优秀的 气动特性和可靠性，而高性能航空航天飞行器的发展，需要对非 定常复杂流动机理及其控制有深入的了解。因此，国家重大科技 专项中的大型飞机专项，将“试验系统的设计、开发和制造”作 为一个研发重点。此外，973 计划也将“科学实验与观测方法、 技术和设备的创新”列为重点研究方向。由此可见，先进的流场 测量系统不仅是揭示流体力学物理现象所必须的重要技术手段， 而且对航空航天、生物医学等相关领域的技术进步具有重要的支 撑作用。 近几十年，国内外在湍流研究中确实取得大的进展，同时也 越发感受到湍流机理研究对转捩预测、高超声速飞行器稳定性和
热防护、燃烧以及沙尘暴预防等实际工程应用有着非常重要的意 义。因此有必要对湍流基本问题和实验硏究手段进行深入交流, 研讨未来的硏究方向及思路,为湍流的基础硏究和国家需求制定 战略规划,推动湍流研究的发展。 二、湍流理论与实验研究的现状和发展趋势 (一)湍流的生成与演化 湍流产生及层流湍流转捩的基础问题包括: 转捩是否发生,能否模拟转捩,转捩能否控制并加以利 用 ●湍流转捩机理研究如何与相关应用硏究结合起来,实现 湍流转捩的预测和控制 ●在探索湍流起源演化发展过程中,流动失稳结构的硏究 是一个核心内容 稳定性理论通常被用来硏究流动结构失稳的机制,数值 计算被更多地用于探索失稳结构的时空演化特性,而加强实验研 究有助于验证理论和计算结果,揭示新的物理现象。 边界层中湍流的生成过程实际就是转捩过程,即流动的失 稳。转捩首先是由于稳定性的破坏产生的,线性稳定性理论是经 典的理论,但转捩过程中不稳定性的发展呈现出非线性特征。由 于稳定性的破缺造成的分叉导致模态维数的增长,这是流动从层 流走向湍流的必经之路。现有的数学物理方法能否描述这种非线 性和自由度不断增长的过程是一个重要的研究课题。 通过长期对转捩规律的认识,流体力学界认为转捩是一个确 定性的过程,有普适的转捩发展规律和判据;转捩也是流动从简 单到复杂的演化过程,但转捩的产生是否仅仅是一个由局部因素 主导的过程还不得而知。在这个过程中,低维动力系统的行为是
5 热防护、燃烧以及沙尘暴预防等实际工程应用有着非常重要的意 义。因此，有必要对湍流基本问题和实验研究手段进行深入交流， 研讨未来的研究方向及思路，为湍流的基础研究和国家需求制定 战略规划，推动湍流研究的发展。 二、湍流理论与实验研究的现状和发展趋势 （一） 湍流的生成与演化 湍流产生及层流-湍流转捩的基础问题包括： ⚫ 转捩是否发生，能否模拟转捩，转捩能否控制并加以利 用； ⚫ 湍流转捩机理研究如何与相关应用研究结合起来，实现 湍流转捩的预测和控制； ⚫ 在探索湍流起源演化发展过程中，流动失稳结构的研究 是一个核心内容； ⚫ 稳定性理论通常被用来研究流动结构失稳的机制，数值 计算被更多地用于探索失稳结构的时空演化特性，而加强实验研 究有助于验证理论和计算结果，揭示新的物理现象。 边界层中湍流的生成过程实际就是转捩过程，即流动的失 稳。转捩首先是由于稳定性的破坏产生的，线性稳定性理论是经 典的理论，但转捩过程中不稳定性的发展呈现出非线性特征。由 于稳定性的破缺造成的分叉导致模态维数的增长，这是流动从层 流走向湍流的必经之路。现有的数学物理方法能否描述这种非线 性和自由度不断增长的过程是一个重要的研究课题。 通过长期对转捩规律的认识，流体力学界认为转捩是一个确 定性的过程，有普适的转捩发展规律和判据；转捩也是流动从简 单到复杂的演化过程，但转捩的产生是否仅仅是一个由局部因素 主导的过程还不得而知。在这个过程中，低维动力系统的行为是
否与高维的流体运动之间存在某种相似性,而这种相似性是建立 湍流转捩判据的依据。同时,这种相似性可以推广至湍流与低维 动力系统之间的相似,这也是利用混沌等低维非线性动力系统手 段硏究湍流的依据。因此,转捩的硏究将带动整个流体力学方法 和理论的发展。 转捩的感受性问题是预测转捩所必须解决的问题。对转捩问 题进行研究,其最主要的需求来自航空航天领域。在高马赫数空 天飞行器的硏制中,气动热冋题是非常突出的。在高空稀薄大气 的环境和边界层中温度较高的条件下,高超声速飞行器雷诺数并 不算高,这时流动在层流和湍流之间转化。由于湍流对动能的耗 散远大于层流,旦发生湍流就意味边界层中温度的急剧上升, 必须采取必要的热防护措施。而热防护措施如烧蚀等会增加负载 并影响气动外形,因此精确地预测转捩及其发生位置对于高超声 速气动热问题是至关重要的。另外,在超燃发动机中,燃料与空 气的混合并进行充分燃烧一直是难题之一,如果进入发动机进气 道的气流是湍流,将大大增加燃料和空气的掺混。对于大型飞机 的设计湍流的产生也是非常重要的硏究。湍流的摩阻大于层流, 采用层流机翼将能够减少摩阻。而层流机翼的设计就需要准确预 测湍流转捩的发生。 在高超声速边界层的流动中存在第_模态,因此其稳定性特 性和低速边界层有本质区别。可压缩湍流转捩过程中,第一模态 和第二模态的演化及其相互作用是建立高马赫数转捩判据的出 发点,两者的演化及其相互作用规律以及体积粘性系数在流动转 捩中发挥的作用是研究重点。 在大气和海洋的研究中也会有湍流问题,湍流状态下对物 质、热量的输运和聚集方式都会有变化,大气湍流对污染物的打
6 否与高维的流体运动之间存在某种相似性，而这种相似性是建立 湍流转捩判据的依据。同时，这种相似性可以推广至湍流与低维 动力系统之间的相似，这也是利用混沌等低维非线性动力系统手 段研究湍流的依据。因此，转捩的研究将带动整个流体力学方法 和理论的发展。 转捩的感受性问题是预测转捩所必须解决的问题。对转捩问 题进行研究，其最主要的需求来自航空航天领域。在高马赫数空 天飞行器的研制中，气动热问题是非常突出的。在高空稀薄大气 的环境和边界层中温度较高的条件下，高超声速飞行器雷诺数并 不算高，这时流动在层流和湍流之间转化。由于湍流对动能的耗 散远大于层流，一旦发生湍流，就意味边界层中温度的急剧上升， 必须采取必要的热防护措施。而热防护措施如烧蚀等会增加负载 并影响气动外形，因此精确地预测转捩及其发生位置对于高超声 速气动热问题是至关重要的。另外，在超燃发动机中，燃料与空 气的混合并进行充分燃烧一直是难题之一，如果进入发动机进气 道的气流是湍流，将大大增加燃料和空气的掺混。对于大型飞机 的设计，湍流的产生也是非常重要的研究。湍流的摩阻大于层流， 采用层流机翼将能够减少摩阻。而层流机翼的设计就需要准确预 测湍流转捩的发生。 在高超声速边界层的流动中存在第二模态，因此其稳定性特 性和低速边界层有本质区别。可压缩湍流转捩过程中，第一模态 和第二模态的演化及其相互作用是建立高马赫数转捩判据的出 发点，两者的演化及其相互作用规律以及体积粘性系数在流动转 捩中发挥的作用是研究重点。 在大气和海洋的研究中也会有湍流问题，湍流状态下对物 质、热量的输运和聚集方式都会有变化，大气湍流对污染物的扩
散和聚集都有重大影响。因此,需要掌握海洋和气象中湍流的产 生和发展规律。 二)可压缩湍流模拟和机理研究 高马赫数和高雷诺数可压缩湍流是一种多过程和多尺度的 复杂流动,通常表现出以下显著的流动特点 由于高马赫数表征的强压缩性,流场中岀现非定常随机 激波; 在高雷诺数下流体剪切生成的湍流场具有时间-空间多 尺度特性 ●具有高温效应导致的强热力过程; 速度场的剪切部分和胀压部分具有强的耦合作用,与热 力学量之间的相互作用也是非线性的。 由于航空航天科技发展的紧迫需求,人们正面临着与高速飞 行相关的一系列复杂可压缩湍流问题,涉及激波、高雷诺数流、 非定常流、湍流、旋涡分离流等,这些也是现代流体力学的重要 基础研究领域。事实上,可压缩湍流广泛存在于超声速和高超声 速飞行器的外流、内流和部件绕流中,高速飞行器外流及其推进 系统内流、飞行器高效气动性能的内外流一体化设计都与可压缩 湍流及其相关的热力耦合特性密切相关。针对航空航天科技工程 中一些具有复杂流动现象的典型可压缩湍流问题目前取得了大 量的硏究成果,例如,利用色散最小、耗散可控格式硏究了模型 缩比(雷诺数)效应对高超进气道流动特性影响,讨论了激波/ 边界层干涉与转捩过程相互作用;约束大涡模拟方法成功地用于 我国大客机全机外形的流动模拟、超声速和高超声速边界层的流 动转捩模拟等;大涡模拟硏究了失稳波激励下射流的湍流噪声 通过分析声源和远场噪声间的关联性得到了不同流动区域对远
7 散和聚集都有重大影响。因此，需要掌握海洋和气象中湍流的产 生和发展规律。 （二）可压缩湍流模拟和机理研究 高马赫数和高雷诺数可压缩湍流是一种多过程和多尺度的 复杂流动，通常表现出以下显著的流动特点： ⚫ 由于高马赫数表征的强压缩性，流场中出现非定常随机 激波； ⚫ 在高雷诺数下流体剪切生成的湍流场具有时间-空间多 尺度特性； ⚫ 具有高温效应导致的强热力过程； ⚫ 速度场的剪切部分和胀压部分具有强的耦合作用，与热 力学量之间的相互作用也是非线性的。 由于航空航天科技发展的紧迫需求，人们正面临着与高速飞 行相关的一系列复杂可压缩湍流问题，涉及激波、高雷诺数流、 非定常流、湍流、旋涡分离流等，这些也是现代流体力学的重要 基础研究领域。事实上，可压缩湍流广泛存在于超声速和高超声 速飞行器的外流、内流和部件绕流中，高速飞行器外流及其推进 系统内流、飞行器高效气动性能的内外流一体化设计都与可压缩 湍流及其相关的热力耦合特性密切相关。针对航空航天科技工程 中一些具有复杂流动现象的典型可压缩湍流问题目前取得了大 量的研究成果，例如，利用色散最小、耗散可控格式研究了模型 缩比（雷诺数）效应对高超进气道流动特性影响，讨论了激波/ 边界层干涉与转捩过程相互作用；约束大涡模拟方法成功地用于 我国大客机全机外形的流动模拟、超声速和高超声速边界层的流 动转捩模拟等；大涡模拟研究了失稳波激励下射流的湍流噪声， 通过分析声源和远场噪声间的关联性得到了不同流动区域对远
场噪声贡献的差异,并对混合层噪声进行了控制硏究;对运动激 波与边界层相互作用、跨声速湍流绕流、超声速反向喷流和横向 射流特性等具有激波、湍流和旋涡分离等复杂流动问题的数值模 拟也取得了丰富的研究成果。 发展新型高速飞行器必须开展与高超声速飞行相关的可压 缩湍流机理研究,主要内容包括: ●湍流形成机理方面,对超声速高超声速条件下的湍流现 象取得认识,对湍流的影响因素和产生机理迸行研究; ●流动控制方面,建立基于湍流机理的流动控制方法,进 行湍流抑制或增强,达到对流动分离和非定常流动进行控制的目 的 ●开展可压缩湍流模式的数值模拟及试验验证研究,准确 预测高速飞行器的摩擦阻力和气动热环境。 可压缩湍流机理硏究主要须考虑湍流和激波共存时胀压、剪 切和热力效应耦合作用下的复杂非定常和非线性物理过程、复杂 流动现象和演化等。其中,胀压过程表征的可压缩效应对湍流特 征、拟序结构等流动机理的影响成为可压缩湍流研究的重点。胀 压过程引入了不同于剪切时间尺度(即旋涡特征时间)的另一特 征时间,即声波的时间尺度。由此导致的可压缩湍流多尺度行为 改变了湍流脉动的时空相关特性,对脉动能量在大、小尺度运动 和流场结构之间的传递方式有着重要影响,尤其是非定常随机激 波的出现可显著改变脉动能量的耗散机制、能量级串和反级串过 程。另一方面热力耦合过程可显著改变壁面摩擦阻力和热流率, 进而对流动转捩、边界层分离和非定常旋涡等基本流动现象产生 重要影响,这也是关系到高超声速飞行器的气动特性和安全热防 护设计的重要基础问题。因此,可压缩湍流领域的硏究思路和趋
8 场噪声贡献的差异，并对混合层噪声进行了控制研究；对运动激 波与边界层相互作用、跨声速湍流绕流、超声速反向喷流和横向 射流特性等具有激波、湍流和旋涡分离等复杂流动问题的数值模 拟也取得了丰富的研究成果。 发展新型高速飞行器必须开展与高超声速飞行相关的可压 缩湍流机理研究，主要内容包括： ⚫ 湍流形成机理方面，对超声速/高超声速条件下的湍流现 象取得认识，对湍流的影响因素和产生机理进行研究； ⚫ 流动控制方面，建立基于湍流机理的流动控制方法，进 行湍流抑制或增强，达到对流动分离和非定常流动进行控制的目 的； ⚫ 开展可压缩湍流模式的数值模拟及试验验证研究，准确 预测高速飞行器的摩擦阻力和气动热环境。 可压缩湍流机理研究主要须考虑湍流和激波共存时胀压、剪 切和热力效应耦合作用下的复杂非定常和非线性物理过程、复杂 流动现象和演化等。其中，胀压过程表征的可压缩效应对湍流特 征、拟序结构等流动机理的影响成为可压缩湍流研究的重点。胀 压过程引入了不同于剪切时间尺度（即旋涡特征时间）的另一特 征时间，即声波的时间尺度。由此导致的可压缩湍流多尺度行为 改变了湍流脉动的时空相关特性，对脉动能量在大、小尺度运动 和流场结构之间的传递方式有着重要影响，尤其是非定常随机激 波的出现可显著改变脉动能量的耗散机制、能量级串和反级串过 程。另一方面，热力耦合过程可显著改变壁面摩擦阻力和热流率， 进而对流动转捩、边界层分离和非定常旋涡等基本流动现象产生 重要影响，这也是关系到高超声速飞行器的气动特性和安全热防 护设计的重要基础问题。因此，可压缩湍流领域的研究思路和趋
势主要是围绕揭示可压缩效应和热力耦合过程两个主要方面来 展开的。 随着计算机技术和信息科学的快速发展,数值模拟逐渐成为 当今可压缩湍流机理硏究的前沿领域和重要手段之一。直接数值 模拟方法通过直接求解完全 Navier- Stokes方程给出了可压缩湍 流场中广泛尺度范围内的特征物理量随时间和空间变化的序列 数据,提供了最精细的流场信息。由于湍流和激波共存,要求直 接数值模拟采用的计算方法能够实现模拟湍流的高精度低耗散 格式与模拟激波的高分辨率格式的有效结合。因此,目前高精度、 高分辨率格式得到了迅速发展,研究者提出了如紧致格式、本质 无波动( ENO/ WENO)格式和间断迦辽金(DG)格式等高精度 算法。国内学者也在加权非线性紧致格式、高阶迎风紧致格式、 高阶差分的几何守恒律、高阶混合计算格式和高阶非结构网格的 有限体积法等方面取得了重要进展。即,基于色散最小、耗散可 控准则的MDCD格式能够在高精度分辨激波间断的同时,色散 误差显著小于WENO格式,使可分辨波数范围扩大;并且实现 耗散连续可调,涵盖从几乎从零到大于wENO格式的耗散。另 外,MDCD格式对湍流结构的分辨能力也有明显提高,可准确 分辨的频率范围显著大于WENO格式。优化的群速度控制格式 和保单调的迎风紧致格式相比WENO格式和人工粘性方法也做 出了重要改进。在可压缩湍流流场中,最大尺度的物理量和最小 尺度的物理量之比显著增加,因此计算域中网格尺度及网格品质 对直接数值模拟的分辨能力也是极为重要的。这些对可压缩湍流 直接数值模拟的计算量、计算方法及计算资源都提出了新的挑 战 在可压缩湍流的模型和模拟方法方面,建立了以显式代数应
9 势主要是围绕揭示可压缩效应和热力耦合过程两个主要方面来 展开的。 随着计算机技术和信息科学的快速发展，数值模拟逐渐成为 当今可压缩湍流机理研究的前沿领域和重要手段之一。直接数值 模拟方法通过直接求解完全 Navier-Stokes 方程，给出了可压缩湍 流场中广泛尺度范围内的特征物理量随时间和空间变化的序列 数据，提供了最精细的流场信息。由于湍流和激波共存，要求直 接数值模拟采用的计算方法能够实现模拟湍流的高精度低耗散 格式与模拟激波的高分辨率格式的有效结合。因此，目前高精度、 高分辨率格式得到了迅速发展，研究者提出了如紧致格式、本质 无波动（ENO/WENO）格式和间断迦辽金（DG）格式等高精度 算法。国内学者也在加权非线性紧致格式、高阶迎风紧致格式、 高阶差分的几何守恒律、高阶混合计算格式和高阶非结构网格的 有限体积法等方面取得了重要进展。即，基于色散最小、耗散可 控准则的 MDCD 格式能够在高精度分辨激波间断的同时，色散 误差显著小于 WENO 格式，使可分辨波数范围扩大；并且实现 耗散连续可调，涵盖从几乎从零到大于 WENO 格式的耗散。另 外，MDCD 格式对湍流结构的分辨能力也有明显提高，可准确 分辨的频率范围显著大于 WENO 格式。优化的群速度控制格式 和保单调的迎风紧致格式相比 WENO 格式和人工粘性方法也做 出了重要改进。在可压缩湍流流场中，最大尺度的物理量和最小 尺度的物理量之比显著增加，因此计算域中网格尺度及网格品质 对直接数值模拟的分辨能力也是极为重要的。这些对可压缩湍流 直接数值模拟的计算量、计算方法及计算资源都提出了新的挑 战。 在可压缩湍流的模型和模拟方法方面，建立了以显式代数应
力模式为基础的非线性涡黏性湍流模式体系,提岀了满足可实现 性原理的二阶非线性涡黏性模式、无壁面几何参数的近壁低雷诺 数修正模式、考虑流动曲率影响的非线性模式、高阶紧致非线性 模式等。大涡模拟方法在可压缩湍流机理和复杂流动现象硏究方 面扮演着越来越重要的角色。通过对湍流场中的大尺度脉动直接 计算,而对滤波后的小尺度脉动对大尺度脉动的影响以合适的亚 格子模型假设进行表征,大涡模拟方法可以提供丰富的流场信 息。与基于模式理论的传统雷诺平均数值模拟方法-样,大涡模 拟方法的有效性极大地依赖于湍流应力模型-亚格子模型,这也 是该方法的主要研究对象。近期,我国学者提出了原创性的湍流 约束大涡模拟方法(CLES),解决了数值模拟预测的湍流平均速 度剖面和温度剖面的对数律不匹配问题,同时准确地计算了壁面 上的湍流阻力和热流率。对可压缩湍流来说,大涡模拟方法需要 关注以下三个问题,并合理地反映出胀压效应和热力耦合过程对 流动机理的影响,具体包括 ●可压缩湍流大涡模拟的滤波算子; ●可压缩湍流的亚格子模型; 滤波方程的能量守恒格式 因此,如何构造反映可压缩特性的加权滤波算子、满足能量 守恒的计算格式、以及反映物理过程的亚格子模型,这些都是可 压缩湍流大涡模拟方法必须面临的关键问题。此外,我国学者还 在模拟髙速边界层流动转捩的间隙性方程和湍流模式,湍流的 RANS/LES混合算法,以及不采用密度加权平均的湍流大涡模拟 方法等方面也取得重要进展。 通过数值模拟分析可压缩效应、湍流剪切效应和热力效应耦 合作用,揭示可压缩湍流的重要流动特性,深化认识激波、湍流
10 力模式为基础的非线性涡黏性湍流模式体系，提出了满足可实现 性原理的二阶非线性涡黏性模式、无壁面几何参数的近壁低雷诺 数修正模式、考虑流动曲率影响的非线性模式、高阶紧致非线性 模式等。大涡模拟方法在可压缩湍流机理和复杂流动现象研究方 面扮演着越来越重要的角色。通过对湍流场中的大尺度脉动直接 计算，而对滤波后的小尺度脉动对大尺度脉动的影响以合适的亚 格子模型假设进行表征，大涡模拟方法可以提供丰富的流场信 息。与基于模式理论的传统雷诺平均数值模拟方法一样，大涡模 拟方法的有效性极大地依赖于湍流应力模型-亚格子模型，这也 是该方法的主要研究对象。近期，我国学者提出了原创性的湍流 约束大涡模拟方法（CLES），解决了数值模拟预测的湍流平均速 度剖面和温度剖面的对数律不匹配问题，同时准确地计算了壁面 上的湍流阻力和热流率。对可压缩湍流来说，大涡模拟方法需要 关注以下三个问题，并合理地反映出胀压效应和热力耦合过程对 流动机理的影响，具体包括： ⚫ 可压缩湍流大涡模拟的滤波算子； ⚫ 可压缩湍流的亚格子模型； ⚫ 滤波方程的能量守恒格式。 因此，如何构造反映可压缩特性的加权滤波算子、满足能量 守恒的计算格式、以及反映物理过程的亚格子模型，这些都是可 压缩湍流大涡模拟方法必须面临的关键问题。此外，我国学者还 在模拟高速边界层流动转捩的间隙性方程和湍流模式，湍流的 RANS/LES 混合算法，以及不采用密度加权平均的湍流大涡模拟 方法等方面也取得重要进展。 通过数值模拟分析可压缩效应、湍流剪切效应和热力效应耦 合作用，揭示可压缩湍流的重要流动特性，深化认识激波、湍流
