基于邊界層轉(zhuǎn)捩直接數(shù)值模擬的湍流生成與維持機理研究.pdf

1、邊界層轉(zhuǎn)捩不僅在自然和工程流動中起著關(guān)鍵性的作用，而且由于其具有相對有序的渦系結(jié)構(gòu)，正日益在湍流生成、發(fā)展與維持機理的研究中扮演著重要的角色。本文針對可壓縮平板邊界層轉(zhuǎn)捩，采用直接數(shù)值模擬技術(shù)建立整個轉(zhuǎn)捩過程的流場數(shù)據(jù)庫，并對流場數(shù)據(jù)進行詳細(xì)的驗證與分析。在此基礎(chǔ)上，對轉(zhuǎn)捩過程中的渦系結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)捩機理以及一些重要的物理現(xiàn)象進行研究和探索，針對湍流提出了一些新的理解和認(rèn)識。
　　論文的具體研究內(nèi)容及主要成果包括：
　?。?）對轉(zhuǎn)

2、捩過程中渦系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，尤其是∧渦、發(fā)卡渦、流向渦和渦包的生成和演化機理進行詳細(xì)的研究。發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)捩過程中，流場中的一次渦結(jié)構(gòu)，通過其誘導(dǎo)的上噴和下掃等運動，將無粘區(qū)的能量帶到邊界層底部，再通過剪切層不穩(wěn)定性，產(chǎn)生更小尺度的渦結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一重要現(xiàn)象，首次提出邊界層轉(zhuǎn)捩是有序的多層渦結(jié)構(gòu)“建造”過程，而不是通過大渦“破裂”產(chǎn)生小尺度渦結(jié)構(gòu)的過程。這一觀念與傳統(tǒng)湍流轉(zhuǎn)捩理論存在很大區(qū)別，為湍流轉(zhuǎn)捩理論研究和模型建立提供了新的思路和方向。

3、>　?。?）對湍流理論中的一些重要概念進行梳理和探討，包括湍流猝發(fā)與間歇性，轉(zhuǎn)捩過程中總渦量的變化，渦是否是渦量的集中等。首次詳細(xì)研究了湍流轉(zhuǎn)捩過程中的間歇式猝發(fā)與渦系結(jié)構(gòu)運動和發(fā)展的關(guān)系，證明猝發(fā)并非來源于某種流動不穩(wěn)定性或者渦“破碎”，而是有序的渦“建造”過程在歐拉視角的表現(xiàn)。其次，盡管轉(zhuǎn)捩過程中邊界層總渦量基本沒有變化，但流場內(nèi)會同時產(chǎn)生正負(fù)相抵的渦量，這些渦量分別驅(qū)使渦旋運動，因此，并不能將邊界層轉(zhuǎn)捩簡單看作是渦量重新分配的過程

4、。同時，本文引進了“體積渦量”的概念，來說明轉(zhuǎn)捩過程渦量變化的原因。另外，人們普遍認(rèn)為渦是當(dāng)?shù)販u量的集中，然而根據(jù)直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫，?渦恰恰位于當(dāng)?shù)販u量最小的位置。
　?。?）基于高精度的直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫，對渦顯示方法進行研究，探討了渦量和渦之間的關(guān)系，并提出將渦量分為旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分的思想。根據(jù)這一概念，并結(jié)合流體剛性旋轉(zhuǎn)時耗散最小的事實，提出了新的渦顯示方法：Ω方法。與目前比較流行的Q和λ2方法相比，Ω方法具有以下優(yōu)點