流体力学

概述 流体力学研究所密切结合国家重大需求，积极开展流体力学的基础和应用研究，目前流体力学研究所的主要研究方向有：湍流、空气动力学、计算流体力学、多相流体力学、工业及环境流体力学、微尺度流体力学、实验流体力学等。 在基础研究方面取得了一系列新成果，在工程应用和成果转化方面成效显著。流体力学研究所十分注重与国内外的科技合作，与国内外著名企业和学术机构建立了密切的合作关系，设有清华-SMC气动技术中心，牵头成立了清华-GE推进与动力技术研究中心、教育部新型飞行器空气动力学中心等合作研究机构，极大地提升了学科的水平和影响力。 专业方向 (1) 先进湍流模式及模拟研究 （符松教授、王亮副研究员团队） A.剪切层K-H失稳机制 扰动在剪切层处优先线性增长，最大增长点与速度型拐点对应。 B.动力效应影响评估    C.激波-波纹壁反射的直接数值模拟 密度梯度图像(Ms=1.5) (2) 空气动力学 (吴子牛教授) A.高速流动激波反射与干扰 B.旋涡动力学 C.高速非定常空气动力学 (3) 何枫教授 A.超声速可压缩混合层演化结构与混合特性     图   L涡作用下的混合特性 图 马蹄涡作用下的混合特性 图 风洞纹影流动显示 B.激波与剪切层作用下的多模态射流结构和声反馈机制 C.微流动液滴在具有不同微结构疏水表面上的碰撞行为     (4) 计算流体动力学（任玉新教授） A.D基于结构/非结构网格高精度数值方法 针对含激波的高速可压缩流场，发展了一系列高精度、高分辨率、高鲁棒性的数值计算格式，包括色散最小、耗散可控（MDCD）格式及高精度边界处理、有限体积方法紧致重构技术等，已经在高超声速流动模拟中得到了广泛应用。   B.多物质界面高分辨率率欧拉算法构架 图 激波与轻/重气体界面相互作用及RM不稳定性 C.湍流壁面减阻技术 (5) 壁湍流机理、数值模拟和控制研究（许春晓教授） A.数据驱动的超声速边界层转捩降阶模型数据驱动的超声速边界层转捩降阶模型 采用正交正则展开（POD）模态作为正交基、通过动力模态分解（DMD）方法获得时间系数演化方程，避免了传统POD-Galerkin方法应用于复杂流动的困难，可以长时间稳定预测流动的演化。 B.壁面运动圆柱湍流边界层减阻控制 C.基于最小流动单元的近壁湍流预测模型及其在大涡模拟中的应用 发现最小流动单元数值模拟获得的湍流具有雷诺数无关性，并与全尺寸流场的小尺度湍流脉动具有相似性：提出了基于最小流动单元的近壁湍流预测模型；提出了基于近壁湍流预测的大涡模拟离面边界条件。 (6) 多相流理论与应用研究（王连泽副教授） A.电磁流体场中颗粒运动行为及颗粒凝聚机理电磁流体场中颗粒运动行为及颗粒凝聚机理 B.“颗粒汇”效应的宏观体现 (7) 高性能通风机现代设计与开发（李嵩副教授） A.建立高效率低噪声通风机现代设计方法 引入现代CFD方法，并突破传统设计准则建立高效低噪风机的新设计方法，性能达到国际先进水平，开发了多个系列的高性能工业家电风机。 B.流体机械气动噪声机理、预测和控制 研究不同气动噪声源的机理，采用数值方法实现噪声预测，开始在复兴号高铁及部分家电应用   C.螺旋桨噪声的机理与预测 (8) 流体力学实验研究（徐胜金副教授） A.平面Poiseuille流局部湍流结构实验研究平面Poiseuille流亚临界转捩实验研究 开发了平面Poiseuille流亚临界转捩随机出现的局地湍流结构定量捕捉实验技术，分析了局地湍流带的头部速度变化规律，提出了一种新的湍流带演化机制。 B.汽车空气动力学动态多物理场耦合测量技术 C.一种新型壁面流动摩擦阻力快速测量系统 图 流动摩擦阻力自动化测量系统 D.战机大迎角气动数据非对称性实验研究 (9) 工业、环境、生物流体力学相关研究（张锡文副教授） A.超声速射流的激波与涡结构及气动噪声 B.微流动、超疏水、液滴碰撞、结冰等跨尺度、多相流的实验及数值研究 C.优化设计的一体化流线型血泵 (10) 复杂流体流动研究（彭杰副教授） A.大密度比多相流界面动力学数值方法 开发了基于 AMR+level-set+GFM 的大密度比多相流界面数值仿真平台。提出了基于应力外插的GFM方法，可实现具有复杂本构关系的非牛顿流体介质界面运动与变形的精确模拟。 图 AMR 网格自适应 图 激波与粘弹性流体液体相互作用 B.液膜流体动力学 C.新能源与燃料电池 （11）计算流体力学方法（李启兵副教授） A.新型计算流体力学方法 基于BGK-Boltzmann方程，发展了适合多尺度流动的新型高精度格式：分块结构/非结构网格、单步时-空2阶/两步4阶精度、显式/隐式格式；适用于从近不可压到高超声速流动，兼具高精度与强稳健性。发展了能高效模拟从连续到稀薄的跨流域流动的统一气体动理学方法：在网格规模550亿，使用2500-20000核时仍可达到线性加速比。发展了适合高马赫数、大密度比多介质流动的动理学格式。 B.基于气体动理论的湍流研究 基于Boltzmann-BGK方程对多种低雷诺数湍流开展了直接数值模拟；基于拓展BGK方程、结合湍流/转捩模型对高雷诺数湍流进行了工程模拟；发展了能随网格尺度光滑切换湍流模型的多尺度模拟方法MS-GKS。 (12) 复杂运动变形边界湍流数值研究（黄伟希副教授） A.水波表面湍流边界层直接数值模拟 考察水波与湍流间的多尺度能量输运过程，用于水气耦合机理研究。 B.柔性覆层湍流边界层机理研究 利用壁面摩擦阻力的动态分解公式分析了柔性覆层对壁面摩阻的影响机制；利用时空能谱给出了壁面运动及近壁湍流相干结构迁移的相速度，定量刻画了它们之间的相互影响。 C.浸没边界方法与仿生流动模拟 典型飞行和游动生物的几何模型采用非结构网格或Level Set方法；运动模型采用实验观察数据；通过三维瞬时涡结构及升阻力变化分析升力或推力的产生机制。 (13) 两相流理论与数值研究（赵立豪副教授） A.复杂形状颗粒湍流两相流研究 发展了复杂形状颗粒湍流两相流计算方法，揭示了湍流中颗粒的形状、惯性、尺寸对其动力学行为的影响规律及物理机制。 B.高雷诺数壁湍流颗粒两相流研究 面向风沙等实际环境和工程问题，针对高雷诺数壁湍流颗粒两相流流动，发展了高效大规模并行两相流直接模拟求解器，完成10亿量级网格与数亿颗粒量级的大规模计算，揭示了中高雷诺数壁湍流外区大尺度流动结构对颗粒的输运和聚集影响。 C.基于人工智能方法的游动颗粒研究 基于自然界海洋中浮游生物模型，发展了两相流数值模拟与机器学习相结合的模拟框架，并开展智能游动微型机器人实验研究。