可壓縮湍流邊界層在超/高超聲速飛行器等航空航天應用中廣泛存在。探究可壓縮湍流是航空航天飛行器設計的迫切需求。由于多數飛行器具有鈍頭體特征，因此剖析鈍錐外型具有較強的工程價值。近日，中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室研究員李新亮團隊使用GPU加速技術，對不同錐頭鈍度的鈍錐體進行了超大規模的直接數值模擬研究。該研究有助于科學家探討高超聲速可壓縮邊界層自然轉捩的過程。相關研究成果發表在《流體物理》（Physics of Fluid） 上。

該團隊使用自主開發的基于GPU加速的流體力學開源軟件OpenCFD-SCU，模擬了6馬赫下0°攻角7°半錐角鈍錐的邊界層由層流發展為湍流的變化過程。鈍錐體的錐頭半徑分別為1mm、10mm、20mm和40mm。得益于GPU強大的計算能力，目前針對鈍錐體的直接數值模擬的網格量達到了313億規模，得到了高精度高分辨率的精細流場，為進一步的理論建模與機理研究提供了可靠數據。

直接數值模擬結果表明，在所選擇的錐頭半徑下，隨著錐頭半徑的增加，轉捩位置逐漸向下游移動，未發生“轉捩反轉”現象。此外，較小的錐頭半徑會使沿流向的平均速度剖面的變化更加劇烈，且摩阻過沖現象更加明顯。這是由于來源于熵層中的擾動波與邊界層內的擾動波之間進行相互作用，致使邊界層內擾動波的特征頻率升高，從而使得沿流向產生更顯著的速度梯度。在同一錐頭半徑下，邊界層內擾動波的特征頻率沿流向呈下降趨勢。這種行為可歸因于渦旋結構的空間演化。

此外，所有工況在邊界層內均表現出高頻與極低頻兩組特征頻率。由于1mm工況的熵吞現象發生于邊界層轉捩之前，邊界層內的擾動波受到熵層內擾動波的影響，使得1mm工況下邊界層內的高頻擾動波高于其他工況。同時，這一現象在風洞實驗中也被觀察到。

研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。

論文鏈接

以來流密度歸一化的瞬時密度沿流向的變化

在流動轉捩區以Q判據可視化的渦結構沿流向的演化

時間及周向平均壁面摩阻系數分布

轉捩雷諾數隨頭部鈍度雷諾數的變化