過程工程所用介尺度科學(xué)探索湍流取得進展

　　湍流是世紀性難題，湍流模型是解決工程湍流問題的一個主要途徑。工程湍流問題中往往存在湍動和非湍動（即層流）區(qū)域共存的特點，而傳統(tǒng)湍流模型假定計算網(wǎng)格內(nèi)流體總是處于充分湍流狀態(tài)，忽視了流動中的層流部分，導(dǎo)致模擬的準確性不足。能量最小多尺度（Energy Minimization Multi-Scale, EMMS）模型是針對氣固流態(tài)化系統(tǒng)發(fā)展的基于結(jié)構(gòu)分解和穩(wěn)定性條件封閉的多尺度方法，它較早關(guān)注了介于系統(tǒng)整體與其組成單元間的介尺度結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)行為的影響，并由此逐步發(fā)展形成了介尺度科學(xué)研究思路。該思路從對復(fù)雜系統(tǒng)的尺度和控制機制的分解入手，將不同控制機制分別表達為一種極值趨勢，并通過分析它們之間在競爭中的協(xié)調(diào)獲得系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件，從而在數(shù)學(xué)上可表達為這些控制機制極值的多目標變分問題。由此可以把不同尺度上的動力學(xué)方程關(guān)聯(lián)起來，形成封閉的模型。

　　在十幾年不懈探索的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院過程工程研究所介尺度科學(xué)研究部在這一思路的湍流應(yīng)用中獲得突破。研究發(fā)現(xiàn)湍流中慣性和粘性機制競爭中協(xié)調(diào)產(chǎn)生介尺度渦團，并形成湍流穩(wěn)定性條件，利用該穩(wěn)定性條件封閉湍流，建立了基于EMMS原理的介尺度湍流模型（圖1）?；贓MMS原理的介尺度湍流模型大大改進了雷諾平均方法模擬湍流的精度，譬如，高雷諾數(shù)方腔流模擬中，EMMS湍流模型成功地捕捉到了標準模型不能預(yù)測出的三級角渦，EMMS湍流模型的計算結(jié)果與DNS數(shù)據(jù)更吻合（圖2）；EMMS湍流模型預(yù)測得到的NACA0012翼型升力和表面壓力系數(shù)比Spalart-Allmaras模型預(yù)測的更準確。

　　湍流模擬中，面對計算網(wǎng)格內(nèi)的非均勻性，要么采取平均化處理，要么是通過大渦或直接模擬努力了解所有的渦結(jié)構(gòu)，而忽視了湍流介尺度上存在的最為重要的主導(dǎo)機制，即粘性和慣性之間競爭中的協(xié)調(diào)產(chǎn)生介尺度渦團，因而難以準確、大規(guī)模地描述湍流復(fù)雜系統(tǒng)。基于EMMS模型原理發(fā)展的介尺度科學(xué)思想，為湍流問題的研究提供了一種新審視角度，解決了非均勻湍流系統(tǒng)定量模擬的問題，并提升了工程湍流模擬的預(yù)測性能和解決實際問題的能力。相關(guān)結(jié)果于5月5日在Chemical Engineering Journal（Wang L, Qiu X, Zhang L, Li J. Turbulence originating from the compromise-in-competition between viscosity and inertia. Chemical Engineering Journal, 2016, 300:83-97）上在線發(fā)表，該工作得到基金委、科技部和中科院青年創(chuàng)新促進會的支持。