Simulation of three-dimensional forced compressible isotropic turbulence by a redesigned discrete unified gas kinetic scheme

物理 湍流 均匀各向同性湍流 经典力学 湍流动能 湍流模型 机械 压缩性 可压缩流 各向同性 雷诺应力 直接数值模拟 统计物理学 雷诺数 量子力学
作者
Tao Chen,Xin Wen,Lian‐Ping Wang,Zhaoli Guo,Jianchun Wang,Shiyi Chen,Dauren Zhakebayev
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:34 (2) 被引量:12
标识
DOI:10.1063/5.0079714
摘要

In this paper, we implemented the Boltzmann-equation-based mesoscopic model, developed recently by Chen et al. [“Inverse design of mesoscopic models for compressible flow using the Chapman–Enskog analysis,” Adv. Aerodyn. 3, 5 (2021)], to simulate three-dimensional (3D) forced compressible isotropic turbulence. In this model, both the Prandtl number and the ratio of bulk to shear viscosity can be arbitrary prescribed. The statistically stationary turbulent flow is driven by a large-scale momentum forcing in the Fourier space, with the internal heating due to the viscous dissipation at small scales being removed by a thermal cooling function. Under the framework of discrete unified gas kinetic scheme (DUGKS), a 3D direct numerical simulation code has been developed, incorporating a generalized Strang-splitting scheme. The weighted essentially non-oscillatory (WENO) scheme is used to increase local spatial accuracy in the reconstruction of particle distribution functions at the cell interface. A 3D discrete particle velocity model with a ninth-order Gauss–Hermite quadrature accuracy is used to ensure accurate evaluation of viscous stress and heat flux in the continuum regime. We simulate forced compressible isotropic turbulence at both low and high turbulent Mach numbers. A direct comparison is performed with the results obtained from a hybrid compact finite difference-WENO scheme solving directly the Navier–Stokes–Fourier system. The comparison validates our DUGKS code and indicates that DUGKS is a reliable and promising tool for simulating forced compressible isotropic turbulence. The work represents a first study to directly simulate forced compressible turbulence by a mesoscopic method based on the Boltzmann equation.

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