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