過程工程所用介尺度科學探索湍流取得進展

2021-01-14 中國科學院

　　湍流是世紀性難題，湍流模型是解決工程湍流問題的一個主要途徑。工程湍流問題中往往存在湍動和非湍動（即層流）區域共存的特點，而傳統湍流模型假定計算網格內流體總是處於充分湍流狀態，忽視了流動中的層流部分，導致模擬的準確性不足。能量最小多尺度（Energy Minimization Multi-Scale, EMMS）模型是針對氣固流態化系統發展的基於結構分解和穩定性條件封閉的多尺度方法，它較早關注了介於系統整體與其組成單元間的介尺度結構對系統行為的影響，並由此逐步發展形成了介尺度科學研究思路。該思路從對複雜系統的尺度和控制機制的分解入手，將不同控制機制分別表達為一種極值趨勢，並通過分析它們之間在競爭中的協調獲得系統的穩定性條件，從而在數學上可表達為這些控制機制極值的多目標變分問題。由此可以把不同尺度上的動力學方程關聯起來，形成封閉的模型。

　　在十幾年不懈探索的基礎上，中國科學院過程工程研究所介尺度科學研究部在這一思路的湍流應用中獲得突破。研究發現湍流中慣性和粘性機制競爭中協調產生介尺度渦團，並形成湍流穩定性條件，利用該穩定性條件封閉湍流，建立了基於EMMS原理的介尺度湍流模型（圖1）。基於EMMS原理的介尺度湍流模型大大改進了雷諾平均方法模擬湍流的精度，譬如，高雷諾數方腔流模擬中，EMMS湍流模型成功地捕捉到了標準模型不能預測出的三級角渦，EMMS湍流模型的計算結果與DNS數據更吻合（圖2）；EMMS湍流模型預測得到的NACA0012翼型升力和表面壓力係數比Spalart-Allmaras模型預測的更準確。

　　湍流模擬中，面對計算網格內的非均勻性，要麼採取平均化處理，要麼是通過大渦或直接模擬努力了解所有的渦結構，而忽視了湍流介尺度上存在的最為重要的主導機制，即粘性和慣性之間競爭中的協調產生介尺度渦團，因而難以準確、大規模地描述湍流複雜系統。基於EMMS模型原理發展的介尺度科學思想，為湍流問題的研究提供了一種新審視角度，解決了非均勻湍流系統定量模擬的問題，並提升了工程湍流模擬的預測性能和解決實際問題的能力。相關結果於5月5日在Chemical Engineering Journal（Wang L, Qiu X, Zhang L, Li J. Turbulence originating from the compromise-in-competition between viscosity and inertia. Chemical Engineering Journal, 2016, 300:83-97）上在線發表，該工作得到基金委、科技部和中科院青年創新促進會的支持。

 

圖1 基於EMMS原理的介尺度湍流模型 

 

圖2 EMMS湍流模型和標準模型計算方腔流的結果比較 

　　湍流是世紀性難題，湍流模型是解決工程湍流問題的一個主要途徑。工程湍流問題中往往存在湍動和非湍動（即層流）區域共存的特點，而傳統湍流模型假定計算網格內流體總是處於充分湍流狀態，忽視了流動中的層流部分，導致模擬的準確性不足。能量最小多尺度（Energy Minimization Multi-Scale, EMMS）模型是針對氣固流態化系統發展的基於結構分解和穩定性條件封閉的多尺度方法，它較早關注了介於系統整體與其組成單元間的介尺度結構對系統行為的影響，並由此逐步發展形成了介尺度科學研究思路。該思路從對複雜系統的尺度和控制機制的分解入手，將不同控制機制分別表達為一種極值趨勢，並通過分析它們之間在競爭中的協調獲得系統的穩定性條件，從而在數學上可表達為這些控制機制極值的多目標變分問題。由此可以把不同尺度上的動力學方程關聯起來，形成封閉的模型。
　　在十幾年不懈探索的基礎上，中國科學院過程工程研究所介尺度科學研究部在這一思路的湍流應用中獲得突破。研究發現湍流中慣性和粘性機制競爭中協調產生介尺度渦團，並形成湍流穩定性條件，利用該穩定性條件封閉湍流，建立了基於EMMS原理的介尺度湍流模型（圖1）。基於EMMS原理的介尺度湍流模型大大改進了雷諾平均方法模擬湍流的精度，譬如，高雷諾數方腔流模擬中，EMMS湍流模型成功地捕捉到了標準模型不能預測出的三級角渦，EMMS湍流模型的計算結果與DNS數據更吻合（圖2）；EMMS湍流模型預測得到的NACA0012翼型升力和表面壓力係數比Spalart-Allmaras模型預測的更準確。
　　湍流模擬中，面對計算網格內的非均勻性，要麼採取平均化處理，要麼是通過大渦或直接模擬努力了解所有的渦結構，而忽視了湍流介尺度上存在的最為重要的主導機制，即粘性和慣性之間競爭中的協調產生介尺度渦團，因而難以準確、大規模地描述湍流複雜系統。基於EMMS模型原理發展的介尺度科學思想，為湍流問題的研究提供了一種新審視角度，解決了非均勻湍流系統定量模擬的問題，並提升了工程湍流模擬的預測性能和解決實際問題的能力。相關結果於5月5日在Chemical Engineering Journal（Wang L, Qiu X, Zhang L, Li J. Turbulence originating from the compromise-in-competition between viscosity and inertia. Chemical Engineering Journal, 2016, 300:83-97）上在線發表，該工作得到基金委、科技部和中科院青年創新促進會的支持。
 
圖1 基於EMMS原理的介尺度湍流模型 
 
圖2 EMMS湍流模型和標準模型計算方腔流的結果比較 

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