湍流射流的大渦模擬及其動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、射流在工程中應(yīng)用非常廣泛,同時(shí)也是當(dāng)前湍流研究中的熱點(diǎn)問題,因此射流的研究具有很重要的理論價(jià)值和應(yīng)用前景.在湍流射流中出現(xiàn)的大尺度擬序結(jié)構(gòu)在湍流形成、卷吸和流體摻混過程中起到主導(dǎo)作用,了解其產(chǎn)生、發(fā)展、對(duì)并、破裂等動(dòng)力學(xué)演化過程具有重要意義,并對(duì)湍流射流控制有重要指導(dǎo)作用.本文綜合運(yùn)用湍流大渦模擬方法、湍流擬序結(jié)構(gòu)理論和湍流統(tǒng)計(jì)理論對(duì)湍流射流中的大尺度擬序結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)演化過程進(jìn)行研究,開展了下列研究工作:詳細(xì)綜述了湍流自由射流、湍流橫向

2、射流和湍流射流控制的研究現(xiàn)狀、總結(jié)了到目前為止人們對(duì)湍流射流大尺度結(jié)構(gòu)的基本認(rèn)識(shí),在此基礎(chǔ)上提出了進(jìn)一步研究的問題.對(duì)本研究采用的湍流大渦模擬方法、可壓縮湍流數(shù)值模擬算法、并行機(jī)群、POD方法和湍流統(tǒng)計(jì)分析方法等進(jìn)行研究,得到了并行的湍流射流大渦模擬程序.應(yīng)用湍流大渦模擬方法得到Re數(shù)為15000、網(wǎng)格數(shù)為258×125×125、總?cè)萘窟_(dá)552GB的三個(gè)湍流橢圓射流數(shù)據(jù)庫(kù).通過對(duì)自由射流、流向和展向橢圓噴嘴的湍流橫向射流大尺度結(jié)構(gòu)的時(shí)空

3、演化進(jìn)行分析,揭示了湍流橢圓射流的基本渦結(jié)構(gòu).應(yīng)用Snapshots-POD方法對(duì)湍流橫向橢圓射流進(jìn)行研究,對(duì)其湍流脈動(dòng)速度場(chǎng)進(jìn)行時(shí)間序列分析、頻譜分析、PDF分析以及時(shí)、空截面上的統(tǒng)計(jì)平均特性分析.研究結(jié)果表明:湍流橢圓自由射流的最顯著特征是橢圓渦環(huán)的間歇產(chǎn)生、脫落,這些渦環(huán)一旦產(chǎn)生立即脫落.首次發(fā)現(xiàn)和提出了湍流橫向橢圓射流的三維拉伸渦環(huán)模型,指出在其大尺度擬序結(jié)構(gòu)中真正占主導(dǎo)作用的是拉伸、扭曲、沿流向扭動(dòng)、展向擺動(dòng)和繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)的三

4、維渦環(huán),在眾多實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)中觀察到的反向渦對(duì)其實(shí)是由三維渦環(huán)頭部組成.首次應(yīng)用POD分析方法對(duì)上述數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析,得到湍流橫向橢圓射流擬序結(jié)構(gòu)的能量分布規(guī)律和各階POD基的演化規(guī)律;應(yīng)用湍流統(tǒng)計(jì)理論對(duì)上述數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析,揭示了湍流橫向橢圓射流脈動(dòng)速度的極為復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)行為;加深了對(duì)湍流橢圓射流基本物理過程的非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制的理解.有待進(jìn)一步研究的問題是:建立基于POD模的湍流射流低維動(dòng)力系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行分析;研究基于湍流射流低維動(dòng)力系統(tǒng)的湍