题目：激波/湍流干涉及湍流热量输运机理的数值模拟研究

激波/湍流干涉和气动加热是高速飞行器及动力系统上两个重要的流动问题，并影响着飞行器的设计和性能提高。本文分别使用直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）对这两个问题开展了机理性的研究。本文发展了一套基于高阶有限差分格式的流场求解器：ASTR，并在经典湍流问题中对其进行了测评，验证了求解器对湍流问题进行DNS和LES 的能力和效率，为本文的研究提供了理想的数值平台。为了提高数值方法对包含激波湍流问题的DNS和LES 的效率，本文提出了带宽耗散优化方法（BDOM），该方法可以在不改变迎风类格式的带宽分辨率和阶数的前提下大幅度降低格式的数值耗散，从而为实现数值模拟的效率和稳定性的最优化提供了途径。采用BDOM方法、Suresh和Huynh[159]提出的MP限制器和Ducros等人[175]提出的激波探测器，本文发展了MP-LD格式，并对其进行了系统的测评。结果表明MP-LD格式对小尺度流动结构的捕捉能力以及对湍流的模拟效率要显著优于常规的高阶激波捕捉格式。MP-LD格式对弱可压缩湍流的模拟效率和高阶中心格式相当，同时仍保持着在间断附近的无振荡性和保单调性。高阶MP-LD格式为包含激波的湍流问题的DNS和LES提供了优良的数值方法。利用MP-LD格式和ASTR程序，本文对激波/各向同性湍流干涉（SITI）和激波/湍流边界层干涉（SBLI）进行了DNS和机理性的研究。得到的结果与相关的理论、实验和DNS数据取得了较高的一致性，表明了DNS结果的准确性和数值方法的可靠性。通过对SITI 的DNS数据分析，得到结论如下：各向同性湍流和激波干涉后，其尺度和各向异性特征都发生了显著变化；湍流脉动之间的非线性作用使得大尺度湍流结构向各向同性恢复的过程更加复，而小尺度脉动结构则更容易恢复各向同性；由于来流速度脉动的影响，激波表面形状会发生变形，较高的来流速度脉动会导致当地激波位置更靠近下游，并增加激波的强度。通过对SBLI数据的分析，本文对受到激波干涉的边界层特性、湍流强度和结构变化、内外层湍流结构的相互作用以及湍动能的输运特性进行了研究。分析表明当流动附体时，逆压梯度对壁湍流相干结构的激发导致了湍流强度的大幅度增加；当流动脱体时，自由剪切层内的湍流相干结构对湍流强度起着主要的贡献。湍流相干结构在和激波干涉过程中发生了显著的变化，其中附体的壁湍流结构在干涉区消失并在下游恢复区重新产生；外区的相干结构在和激波干涉时得到了显著的增强，并在下游对近壁区产生大尺度的扫掠作用，促进了壁湍流的重生。在激波干涉的作用下，湍动能由生成和耗散之间的相互平衡关系变为生成、耗散、对流和湍流扩散项之间复杂的非平衡的输运关系。这种非平衡的输运关系是RANS模式无法准确预测SBLI流场的主要因素。利用LES方法，本文对受到控制手段作用的槽道湍流中的热量输运机理进行了研究，重点关注了当壁湍流相干结构受到抑制或增强时，湍流热量输运的变化及其和动量输运的关系。结果表明，虽然相干结构和湍流统计在不同控制手段的作用下发生了显著而不同的变化，流向涡始终是近壁区主要的流动结构，并主导了近壁区的输运过程。无论湍流相干结构受到抑制还是增强，温度脉动和速度脉动之间的相似性、热量输运和动量输运之间的一致性以及Reynolds比拟始终保持。这表明了动量输运和热量输运之间的一致性是湍流边界层的固有属性，不易受到外部扰动的影响，从而为将成熟的湍流减阻技术应用于壁面热流的控制提供了理论上的支持。本文的研究表明了DNS和LES是研究复杂湍流机理的有利工具，并可以为湍流模式的改进和流动控制手段的发展提供理论支持和数据库。