谱方法模拟运动壁面槽道湍流

"运动壁面槽道流动的直接数值模拟 (2010年) - 葛铭纬，许春晓，崔桂香 - 清华大学航天航空学院" 本文是一篇自然科学领域的论文，主要探讨了如何使用谱方法进行不可压缩Newton流体的N-S方程求解，特别是在处理运动壁面槽道流动的直接数值模拟问题。作者们避免使用协变和逆变形式的控制方程，而是选择在物理空间中定义流动物理量。计算空间的离散采用Fourier-Chebyshev谱方法，时间推进则依赖于高精度时间分裂法。为减少时间分裂误差，他们引入了高精度压力边界条件。这种方法相较于其他谱方法，能够在保持高精度的同时降低计算复杂度。 论文首先通过静止波形壁面和行波壁面的槽道湍流模拟来验证所提出数值方法的正确性。然后，将此方法应用于研究槽道湍流中周期振动凹坑产生的流动结构。这为理解复杂运动壁面对湍流影响提供了新的视角。 直接数值模拟(Direct Numerical Simulation, DNS)是湍流研究的关键工具，尤其在中低Reynolds数的流动条件下。尽管DNS对于理解湍流机理有重大贡献，但由于实验条件的局限性，某些发现难以通过实验得到。对于壁湍流，多数研究集中于静止壁面，但近年来，随着智能蒙皮和柔性壁面在湍流控制中的应用，复杂运动壁面的湍流研究变得日益重要。 谱方法因其效率和精度而在DNS中广泛应用。例如，Fourier-Galerkin方法常用于各向同性湍流模拟，而Fourier-Chebyshev方法在槽道湍流模拟中扮演了关键角色。然而，对于运动壁面的处理，过去的研究存在一些错误，如Carlson等人在坐标变换中的错误，已经被Luo等人指出并修正。 这篇2010年的论文为运动壁面槽道湍流的数值模拟提供了一种有效的新方法，对湍流控制和流动结构的理解产生了积极影响。通过改进的谱方法，不仅提高了计算效率，也为未来更复杂的流动问题的研究奠定了基础。