渦環(huán)與靜止及運動球體碰撞的LBM模擬研究.pdf

1、渦環(huán)和固體的相互作用是流體力學一個重要的研究課題，在氣象物理和工程實際中具有重要的應用背景。本文用格子玻爾茲曼方法模擬了渦環(huán)與靜止及旋轉球體、渦環(huán)與橢球的相互作用問題。討論了球體半徑、旋轉效應、橢球長短軸比及雷諾數(shù)等參數(shù)對渦結構演化的影響。主要工作和研究成果如下:
　　1.渦環(huán)與球狀物體碰撞分為三個主要過程:首先是二次渦的生成，初始渦環(huán)在球體壁面誘導出反向渦量，拉伸伸展直到與壁面分離形成二次渦;其次是主渦與二次渦的纏繞，主渦與二次

2、渦沿徑向擴展后又收縮，相互纏繞發(fā)生拉伸變形;最后是主渦的恢復過程，主渦由“輪轂”結構或者“花形”結構向渦核中心重新匯聚，最后恢復成圓環(huán)或橢圓環(huán)的狀態(tài)。
　　2.渦環(huán)與靜止球體碰撞中運用速度疊加法分析了主渦環(huán)和二次渦的纏繞過程，與渦環(huán)和平板碰撞不同的是這里的主渦環(huán)為“主動”纏繞，二次渦環(huán)為“被動”纏繞。渦結構演化與渦環(huán)和球體直徑比是相關的，球體直徑越小主渦環(huán)徑向擴展越緩慢，二次渦靜止時與球體距離也越遠;球體直徑越大，徑向擴展越迅速，

3、渦拉伸越強烈。在與旋轉球體碰撞中，渦環(huán)自誘導速度為-z方向，若旋轉速度為y正方向（右手系）則x＜H/2區(qū)域主渦被拉伸，球體表面脫落形成的二次渦較弱，易耗散。而x＞H/2區(qū)域，二次渦較強、徑向擴展小、二次渦與主渦發(fā)生旋擰融合過程。在整體演化過程中，主渦與二次渦所在平面相交，交叉角度隨時間而變化，最終沒有形成獨立的雙渦環(huán)結構。
　　3.在渦環(huán)與橢球碰撞研究中首先分析了渦拉伸的影響:在橢球長軸方向渦拉伸較強而先分離出二次渦;在主渦與二次