旋轉(zhuǎn)湍流的直接數(shù)值模擬和大渦模擬研究.pdf

1、該文利用高精度的分裂步差分格式對(duì)展向和法向旋轉(zhuǎn)槽道湍流進(jìn)行了直接數(shù)值模擬,研究了系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對(duì)近壁湍流的增強(qiáng)或抑制作用,以及對(duì)湍動(dòng)能生成和耗散的影響.同時(shí),根據(jù)旋轉(zhuǎn)湍流SGS應(yīng)力模型所需要滿(mǎn)足的漸近物性坐標(biāo)不變性(Asymptotic material frame indifference,AMFI)條件,該文提出了一種能夠反映旋轉(zhuǎn)和剪切耦合效應(yīng)的非線性SGS應(yīng)力模型,并將其應(yīng)用到展向旋轉(zhuǎn)槽道湍流和軸向旋轉(zhuǎn)圓管湍流的大渦模擬研究中.展向旋轉(zhuǎn)

2、槽道湍流的直接數(shù)值模擬表明,在一定范圍的旋轉(zhuǎn)數(shù)下,旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)了壓力壁面附近平均流的剪切作用,近壁湍流強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力都顯著增加,湍流脈動(dòng)渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度增大,尺寸變小.而對(duì)于吸引壁面附近的湍流,展向旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)出明顯的抑制作用.雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程各項(xiàng)分布特性的研究表明,槽道沿展向旋轉(zhuǎn)時(shí),壓力壁面附近的湍動(dòng)能生成和耗散過(guò)程更為劇烈,粘性擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散作用也增強(qiáng);在吸引壁面附近,展向旋轉(zhuǎn)抑制了湍流脈動(dòng)的生成和耗散過(guò)程.旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏力項(xiàng)從流向湍脈動(dòng)中汲取

3、能量,分配到法向湍流脈動(dòng)中,同時(shí)也間接影響向湍流脈動(dòng)的生成.在去向旋轉(zhuǎn)槽道湍流中,法向旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的科氏力在槽道中產(chǎn)生了非零的展向平均流動(dòng),從而在槽道壁面上引入了展向平均流的剪切作用.不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,壓力梯度方向和展向平均流剪切強(qiáng)度的改變是近壁區(qū)三個(gè)方向湍流強(qiáng)度變化的主要原因.槽道沿法向旋轉(zhuǎn)時(shí),壁面附近的湍流擬序結(jié)構(gòu)的尺度和強(qiáng)度,以及方向都發(fā)生變化.同時(shí),法向旋轉(zhuǎn)改變了近壁區(qū)雷諾應(yīng)力分布規(guī)律.根據(jù)旋轉(zhuǎn)湍流SGS模型的建模規(guī)則,利用張量代數(shù)和

4、Taylor近似理論發(fā)展了一種由大渦應(yīng)變率和旋轉(zhuǎn)張量構(gòu)成的非線性SGS應(yīng)力模型,并滿(mǎn)足AMFI條件.利用這一非線性SGS模型對(duì)展向旋轉(zhuǎn)槽道湍流進(jìn)行大渦模擬.計(jì)算結(jié)果表明,模型中系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)引入的非線性附加項(xiàng)是對(duì)傳統(tǒng)線性渦粘項(xiàng)的一種二階修正.同時(shí),通過(guò)對(duì)照直接數(shù)值模擬結(jié)果中的近壁湍流統(tǒng)計(jì)量,驗(yàn)證了非線性SGS應(yīng)力模型的有效性.應(yīng)用非線性SGS應(yīng)力模型該文大渦模擬研究了較高雷諾數(shù)下軸向旋轉(zhuǎn)圓管湍流的流動(dòng)特性.當(dāng)圓管旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí),流動(dòng)具有向?qū)恿?/p>