可壓縮湍流邊界層在超/高超聲速飛行器等航空航天應用中廣泛存在。探究可壓縮湍流是航空航天飛行器設計的迫切需求。由于多數(shù)飛行器具有鈍頭體特征，因此剖析鈍錐外型具有較強的工程價值。近日，中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室研究員李新亮團隊使用GPU加速技術(shù)，對不同錐頭鈍度的鈍錐體進行了超大規(guī)模的直接數(shù)值模擬研究。該研究有助于科學家探討高超聲速可壓縮邊界層自然轉(zhuǎn)捩的過程。相關(guān)研究成果發(fā)表在《流體物理》（Physics of Fluid） 上。

該團隊使用自主開發(fā)的基于GPU加速的流體力學開源軟件OpenCFD-SCU，模擬了6馬赫下0°攻角7°半錐角鈍錐的邊界層由層流發(fā)展為湍流的變化過程。鈍錐體的錐頭半徑分別為1mm、10mm、20mm和40mm。得益于GPU強大的計算能力，目前針對鈍錐體的直接數(shù)值模擬的網(wǎng)格量達到了313億規(guī)模，得到了高精度高分辨率的精細流場，為進一步的理論建模與機理研究提供了可靠數(shù)據(jù)。

直接數(shù)值模擬結(jié)果表明，在所選擇的錐頭半徑下，隨著錐頭半徑的增加，轉(zhuǎn)捩位置逐漸向下游移動，未發(fā)生“轉(zhuǎn)捩反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。此外，較小的錐頭半徑會使沿流向的平均速度剖面的變化更加劇烈，且摩阻過沖現(xiàn)象更加明顯。這是由于來源于熵層中的擾動波與邊界層內(nèi)的擾動波之間進行相互作用，致使邊界層內(nèi)擾動波的特征頻率升高，從而使得沿流向產(chǎn)生更顯著的速度梯度。在同一錐頭半徑下，邊界層內(nèi)擾動波的特征頻率沿流向呈下降趨勢。這種行為可歸因于渦旋結(jié)構(gòu)的空間演化。

此外，所有工況在邊界層內(nèi)均表現(xiàn)出高頻與極低頻兩組特征頻率。由于1mm工況的熵吞現(xiàn)象發(fā)生于邊界層轉(zhuǎn)捩之前，邊界層內(nèi)的擾動波受到熵層內(nèi)擾動波的影響，使得1mm工況下邊界層內(nèi)的高頻擾動波高于其他工況。同時，這一現(xiàn)象在風洞實驗中也被觀察到。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等的支持。

論文鏈接

以來流密度歸一化的瞬時密度沿流向的變化

在流動轉(zhuǎn)捩區(qū)以Q判據(jù)可視化的渦結(jié)構(gòu)沿流向的演化

時間及周向平均壁面摩阻系數(shù)分布

轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)隨頭部鈍度雷諾數(shù)的變化