热化学非平衡效应对湍流边界层的影响

本研究采用直接数值模拟(DNS)研究了高马赫数湍流边界层在三种流动条件下的情况：低焓值量热完全气体，以及两种高温气体混合物(一种处于化学非平衡状态，另一种处于完全热化学非平衡状态)。考察了双温度模型对湍流统计量的影响，以及湍流、化学和振动能之间的耦合。研究发现，虽然高焓值效应几乎不改变速度统计量，但它们显著改变了近壁温度场。近壁区域出现了平动-转动温度与振动温度之间的显著差异，使得传统的广义雷诺比拟(GRA)对振动温度不再准确。为了解决这个问题，提出了一种新的复合 GRA，它将基于振动温度的关系式与标准公式相融合，并与 DNS 数据表现出极好的一致性。热非平衡效应也极大地改变了近壁化学反应：它抑制了 O2 解离并促进了 NO 生成，导致 O 和 NO 的平均浓度分别相应降低和升高。对湍流-化学和湍流-振动弛豫相互作用项的谱分析表明，温度涨落在含能尺度上主导这些流动物理量。通过积分得到的谱函数，我们评估了大涡模拟的亚网格尺度闭合项。在小的滤波尺度下，互相关项的量级与温度涨落项相当或超过温度涨落项，而在较大的滤波尺度下，温度涨落项变得占主导地位。