分子热涨落对可压缩各向同性湍流的影响研究

【作者】 马启涵； 陈松； 冯凯凯； 张俊；

【机构】 北京航空航天大学航空科学与工程学院； 北京航空航天大学中法工程师学院/国际通用工程学院；

【摘要】 近年来,有研究工作表明,由于分子随机运动导致的热涨落（thermal fluctuations）会显著影响湍流的小尺度统计性质。为模拟热涨落对湍流的影响,人们一般通过求解涨落流体力学方程组（fluctuating hydrodynamic equations,FHE）,或采用基于分子水平的直接模拟Monte Carlo（DSMC）方法,后者相比前者无需进行局部热力学平衡假设,更适合于模拟具有局部非平衡效应的强可压缩湍流。然而,由于DSMC的时空离散尺度受限于分子平均碰撞时间与分子平均自由程,使其在模拟湍流问题时将消耗巨大的计算资源。基于此,本工作采用统一随机粒子（unified stochastic particle,USP）方法,对二维及三维均匀各向同性可压缩衰减湍流进行模拟,重点分析了热涨落对湍流能谱及热力学量谱的影响。USP方法通过将分子的运动和碰撞过程进行耦合处理,使该方法的时空离散尺度不再受限于分子特征尺度,相比DSMC方法可以显著提升对湍流的模拟效率。结果表明,热涨落会在与湍流Kolmogorov长度尺度相当的空间尺度上对湍流谱产生显著影响,使得耗散区谱线满足k^d-1的波数标度率,d为模拟问题的空间维度。随湍流马赫数变化,热涨落对湍流胀压能谱和热力学量谱的临界作用尺度变化明显。最后,本工作探究了热涨落与湍流可预测性（predictability）问题间的联系,结果表明热涨落作为流体中的内在微扰动,会通过"误差逆级串"机制,导致湍流的大尺度结构随时间推移无法被准确预测。更多还原