用介尺度科学探索湍流取得进展
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2016-05-18
湍流是世纪性难题，湍流模型是解决工程湍流问题的一个主要途径。工程湍流问题中往往存在湍动和非湍动（即层流）区域共存的特点，而传统湍流模型假定计算网格内流体总是处于充分湍流状态，忽视了流动中的层流部分，导致模拟的准确性不足。能量最小多尺度（EnergyMinimizationMulti-Scale,EMMS）模型是针对气固流态化系统发展的基于结构分解和稳定性条件封闭的多尺度方法，它较早关注了介于系统整体与其组成单元间的介尺度结构对系统行为的影响，并由此逐步发展形成了介尺度科学研究思路。该思路从对复杂系统的尺度和控制机制的分解入手，将不同控制机制分别表达为一种极值趋势，并通过分析它们之间在竞争中的协调获得系统的稳定性条件，从而在数学上可表达为这些控制机制极值的多目标变分问题。由此可以把不同尺度上的动力学方程关联起来，形成封闭的模型。
在十几年不懈探索的基础上，中国科学院过程工程研究所介尺度科学研究部在这一思路的湍流应用中获得突破。研究发现湍流中惯性和粘性机制竞争中协调产生介尺度涡团，并形成湍流稳定性条件，利用该稳定性条件封闭湍流，建立了基于EMMS原理的介尺度湍流模型（图1）。基于EMMS原理的介尺度湍流模型大大改进了雷诺平均方法模拟湍流的精度，譬如，高雷诺数方腔流模拟中，EMMS湍流模型成功地捕捉到了标准模型不能预测出的三级角涡，EMMS湍流模型的计算结果与DNS数据更吻合（图2）；EMMS湍流模型预测得到的NACA0012翼型升力和表面压力系数比Spalart-Allmaras模型预测的更准确。
湍流模拟中，面对计算网格内的非均匀性，要么采取平均化处理，要么是通过大涡或直接模拟努力了解所有的涡结构，而忽视了湍流介尺度上存在的最为重要的主导机制，即粘性和惯性之间竞争中的协调产生介尺度涡团，因而难以准确、大规模地描述湍流复杂系统。基于EMMS模型原理发展的介尺度科学思想，为湍流问题的研究提供了一种新审视角度，解决了非均匀湍流系统定量模拟的问题，并提升了工程湍流模拟的预测性能和解决实际问题的能力。
