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转捩中“breakdown”的内在机理及周期湍流场中的涡粘系数

作　者: 王新军
导　师: 罗纪生
学　校: 天津大学
专　业: 流体力学
关键词: 转捩 breakdown 平均流剖面涡粘系数相位
分类号: O357.5
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 138次
引　用: 1次
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内容摘要

层流-湍流的转捩是一个古老但依然没有解决的问题。百余年来,工程实践的需求使得人们对这一问题的研究不断深入。尽管对转捩的研究付出了巨大的努力,但是仍然有一个重要的问题还没有被涉及到,那就是最终导致转捩的“breakdown”的内在机理是什么?传统的看法是,转捩从扰动的放大开始,由于非线性的作用,当扰动增长时,将产生高次谐波,流动变得越来越复杂,最终导致湍流。这一过程似乎非常清楚,但却漏掉了一个关键的环节,即转捩的“breakdown”过程究竟发生了什么。本文对转捩的过程进行了直接数值模拟,对结果的分析表明,平均流剖面稳定性特性的改变在“breakdown”过程中起了关键性的作用。目前,能用于工程中湍流计算的只有湍流模式理论。在大多数的做法中,其雷诺应力最终都归结为通过某种涡粘系数与平均流的变形率联系起来,从而使方程封闭。不同的模式或亚格子应力模式的差别只在涡粘系数的不同算法,由于所用的涡粘系数都是实数,所以无论哪种方法都没有考虑到雷诺应力与速度变形率的相位关系。近年来对湍流涡粘模型的研究表明,目前所采用的湍流涡粘模式中的涡粘系数不能都是实数,这对湍流模式中的涡粘模型提出了新的挑战。为了给出更准确的涡粘系数,本论文采用数值模拟方法,系统研究了具有周期性吹吸边界条件的湍流流场中的雷诺应力与速度变形率的相位特性,并研究了雷诺数、壁面吹吸幅值以及移动吹吸边界条件等因素对这一相位特性的影响。重点对雷诺应力与速度变形率的相位差进行了分析,说明在此类流场中涡粘系数应该考虑相位的特性,并对此条件下的涡粘系数形式进行了讨论。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-20
  1.1 转捩问题的研究和现状  8-15
    1.1.1 流动稳定性理论研究现状  9-10
    1.1.2 感受性问题  10-11
    1.1.3 转捩的预测  11-12
    1.1.4 三维扰动及边界层转捩的研究  12-15
  1.2 湍流模式理论的研究和现状  15-18
    1.2.1 湍流模式理论与涡粘系数  15-17
    1.2.2 雷诺应力与变形率相位关系问题  17-18
  1.3 论文的主要工作  18-20
第二章控制方程及数值方法  20-32
  2.1 计算域  20
  2.2 控制方程  20-22
  2.3 方程的离散  22-32
    2.3.1 x、z 方向的谱方法  23-25
    2.3.2 时间方向的离散  25-27
    2.3.3 y 方向的离散  27-32
第三章转捩的“breakdown”过程内在机理的研究  32-52
  3.1 已知的平均流剖面与流动稳定性之间关系的结论  32-33
  3.2 槽道流转捩的直接数值模拟  33-46
    3.2.1 扰动形式  33
    3.2.2 数值模拟结果  33-39
    3.2.3 数据分析  39-44
    3.2.4 “breakdown”过程的分析  44-46
  3.3 不同波形与平均流修正  46-47
  3.4 转捩过程中其它量的变化  47-50
  3.5 本章小结  50-52
第四章空间周期剪切湍流场中的涡粘模式的研究  52-78
  4.1 研究背景  52-55
  4.2 壁面上周期性的吹吸边界条件  55
  4.3 数值模拟结果与分析  55-65
    4.3.1 雷诺应力与变形率的相位  55-60
    4.3.2 相位差与流场中的涡的关系  60-63
    4.3.3 空间周期剪切湍流场中的涡粘系数  63-65
  4.4 壁面吹吸移动速度对相位差的影响  65-67
  4.5 壁面吹吸幅值对相位差的影响  67-71
  4.6 层流模型的计算结果及比较  71-76
  4.7 本章小结  76-78
第五章结论  78-80
参考文献  80-86
发表论文和科研情况说明  86-88
致谢  88

转捩中“breakdown”的内在机理及周期湍流场中的涡粘系数

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