湍流大渦數值模擬的理論和應用 ISBN： 978-7-302-16777-8 出版社： 清華大學出版社 出版日期： 2008年1月1日 編著者： 張兆順 湍流是廣泛存在于自然界和工程中的流動現象，例如：大氣、海洋與河 流中流體的運動，飛行器周圍空氣的運動，船艦周圍水流的運動以及流體機 械中空氣或水流的運動等都呈湍流狀態。湍流是十分復雜的多尺度不規則 流動，個別簡單的湍流問題可以應用理論分析近似地獲得它的流動特性，實 際湍流問題的預測主要采用物理實驗和數值模擬方法。隨著計算機的迅速 發展，湍流的數值模擬日益得到重視，已經成為預測自然環境和工程流動的 主要手段之一。 現有的湍流數值模擬方法有3種：直接數值模擬、大渦數值模擬和雷諾 平均模擬。 直接數值模擬不需要對湍流建立模型，采用數值計算直接求解流動的 控制方程。由于湍流是多尺度的不規則流動，要獲得所有尺度的流動信息， 需要很高的空間和時間分辨率，也就是需要巨大的計算機內存和耗時很大 的計算量。目前，直接數值模擬只能計算雷諾數較低的簡單湍流運動，例如 槽道或圓管湍流，它還不能作為復雜湍流運動的預測方法。 工程中廣泛應用的湍流數值模擬方法采用雷諾平均模型，這種方法將 流動的質量、動量和能量輸運方程進行統計平均后建立模型。雷諾平均模 型不需要計算各種尺度的湍流脈動，它只計算平均運動，因此它的空間分辨 率要求低，計算工作量小。雷諾平均模型的主要缺點是它只能提供湍流的 平均信息，這對于近代自然環境的預報和工程設計是遠遠不夠的；雷諾平均 模型的致命弱點是它的模型沒有普適性。 20世紀70年代，一種新的湍流數值模擬方法問世，即大渦數值模擬。 它的主要思想是：大尺度湍流直接使用數值求解，只對小尺度湍流脈動建立 模型。所謂小尺度，習慣上是指小于計算網格的尺度，而大于網格尺度的湍 流脈動通過數值模擬獲得。這種新方法的優點是：對空間分辨率的要求遠 小于直接數值模擬方法；在現有的計算機條件下，可以模擬較高雷諾數和較 復雜的湍流運動；另一方面，它可以獲得比雷諾平均模擬更多的湍流信息， 例如，大尺度的速度和壓強脈動，這些動態信息對于自然環境預報和工程設 計是非常重要的。 隨著計算機的發展，大渦數值模擬有可能在不遠的將來成為預測實際 流動的手段。從20世紀90年代開始，大渦數值模擬方法已成為湍流數值 模擬的熱門課題，與湍流問題有關的廣大科技工作者紛紛應用大渦數值模 擬方法預測湍流，甚至流動計算的商業軟件中也增設了大渦數值模擬的 模塊。