学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

涡环与固壁相互作用的大涡模拟研究

作　者: 任恒
导　师: 陆夕云
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 流体力学
关键词: 涡环大涡模拟涡环遵面相互作用动力学特性涡结构不稳定性湍流状态
分类号: O35
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 50次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

涡环与固壁相互作用是流体力学研究的重要课题之一,相关问题广泛存在于工程应用中。本文采用大涡模拟方法研究了高雷诺数下涡环与平板、涡环与鼓包以及涡环与圆柱的相互作用。主要工作和研究成果如下：(1)采用大涡模拟方法研究了涡环与平板的正碰和斜碰两类问题。对于涡环与平板的正碰情形,系统地分析了涡核厚度对涡结构的演化、环状涡和发卡涡的生成、涡结构的不稳定性以及流场湍流特性的影响。薄涡环与平板碰撞时二次涡从壁面分离后做环绕主涡环的运动；厚涡环碰撞时二次涡在生成后做远离壁面的运动。其原因在于厚涡环产生的二次涡强度更大,自身诱导的向上速度大于主涡环对其诱导的向下速度。在碰撞后期,强的涡-涡以及涡-壁面相互作用导致涡环破碎为小尺度的涡结构。进而我们研究了缠绕主涡环和二次涡环的环状涡结构以及流场中发卡涡结构的生成和发展,揭示了发卡涡存在两种不同的产生机制。环状涡结构的生成与主涡环的旋转、脱涡有关；小尺度发卡涡的生成与环状涡的断裂、变形有关,而大尺度发卡涡的生成是失稳的三次涡拉伸变形而导致的。通过不稳定性分析获得了薄涡环和厚涡环的主导模态,结果与前人的理论结果相一致。扰动能量的谱分析发现,厚涡环不稳定性的增长远慢于薄涡环。扰动能量谱的-5/3衰减律标志着流场转捩为湍流。湍流特性分析发现,湍动能的演化趋势是先增长,到达峰值后迅速衰减。雷诺正应力对湍流生成的贡献远大于雷诺剪应力。对于涡环与平板斜碰,着重探讨了涡环与平板初始夹角对涡结构演化的影响。涡环倾角较大时,二次涡一侧部分与壁面的碰撞导致了流场中不完整的二次涡结构。(2)采用大涡模拟方法研究了涡环与鼓包的正碰和斜碰两类问题。对于涡环与鼓包的正碰,系统地分析了鼓包高度以及涡环厚度对涡结构的演化、涡结构的不稳定性以及流场湍流特性的影响。对于薄涡环,二次涡在壁面生成后环绕主涡环运动。缠绕主涡和二次涡的环绕涡形成后,会与二次涡发生显著相互作用。鼓包高度增加后,二次涡沿法向拉伸形成了一系列周向分布的发卡涡结构,这些发卡涡和壁面碰撞后,会逐步失稳并破碎。对于厚涡环,鼓包高度越高,二次涡远离壁面的趋势越明显。随着鼓包高度增加,流场中的涡结构会减少。通过分析壁面涡量通量可知,鼓包高度越高,在壁面产生涡量的能力越弱。不稳定性分析表明,与薄涡环相比,厚涡环更不容易失稳。环状涡和发卡涡的强度与湍动能演化趋势相同,说明这些涡结构在流场从层流向湍流转捩过程中起着重要作用。对于涡环与鼓包的斜碰,涡环初始位置越偏离鼓包,流场中形成的二次涡越不明显,这与二次涡一侧涡结构的失稳与破碎以及二次涡另一侧涡结构的强度较弱有关。(3)采用大涡模拟方法研究了高雷诺数下涡环和三维圆柱的相互作用问题,主要探讨了涡环与圆柱碰撞后流场中复杂的流动现象及其内在物理机理,比如二次涡、三次涡的形成；发卡涡及环状涡的形态和形成机制；环状涡对主涡的影响；圆柱的受力以及涡结构的失稳、破碎等。基于二次涡的演化可以将流动过程分为三个阶段。首先,当涡环靠近圆柱时,二次涡从壁面分离并从圆柱表面抬起；在主涡环的诱导作用下,圆柱上壁面的二次涡开始向主涡环内侧运动并与圆柱壁面碰撞。其次,与壁面的碰撞导致二次涡断裂,断裂后的二次涡缠绕主涡环,并在圆柱的两侧形成了对称的环状涡结构；在自诱导速度的作用下环状涡结构开始做相向运动。最后,环状涡结构碰撞在一起,涡结构破碎为小尺度的涡,流场由层流转捩到湍流状态。研究发现,拟涡能的变化可以定量地描述流场涡结构的演化过程。发卡涡结构的形成与不稳定三次涡在圆柱上半壁面持续拉伸、变形有关。环状涡结构在沿主涡环轴线相向运动的过程中,对主涡环的影响分为三个阶段：主涡环变形；主涡环在环状涡的影响下,持续旋转导致涡核外层涡量的脱落；最终主涡环完全破碎。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-20
第一章绪论  20-28
  1.1 研究背景和现状  20-25
    1.1.1 涡环与平板相互作用  22-24
    1.1.2 涡环与鼓包相互作用  24-25
    1.1.3 涡环与圆柱相互作用  25
  1.2 大涡模拟方法  25-27
  1.3 本文的结构安排和主要工作  27-28
第二章控制方程和数值方法  28-38
  2.1 引言  28
  2.2 控制方程和动力学亚格子模型  28-32
    2.2.1 大涡模拟控制方程  28-30
    2.2.2 动力学SGS模型  30-32
  2.3 空间离散格式  32-34
  2.4 时间推进格式  34-38
第三章涡环与平板相互作用的大涡模拟  38-76
  3.1 引言  38-41
  3.2 物理模型和计算参数  41-43
    3.2.1 物理模型  41-42
    3.2.2 计算参数  42-43
  3.3 计算验证  43-45
  3.4 涡环与平板正碰的计算结果  45-64
    3.4.1 涡结构的演化  45-50
    3.4.2 环状涡和发卡涡的形成  50-52
    3.4.3 主涡和二次涡的运动轨迹和环量  52-53
    3.4.4 涡结构的不稳定性  53-61
    3.4.5 主涡环的轴流  61
    3.4.6 流场的湍流特性  61-64
  3.5 涡环与平板斜碰的计算结果  64-72
    3.5.1 涡结构的演化  64-67
    3.5.2 涡量场在y=0平面的演化  67-68
    3.5.3 主涡环轨迹及流场的动能和拟涡能  68-71
    3.5.4 壁面压力分布  71-72
  3.6 本章小结  72-76
第四章涡环与鼓包相互作用的大涡模拟  76-116
  4.1 引言  76-77
  4.2 物理模型和计算参数  77-80
    4.2.1 物理模型  77-79
    4.2.2 计算参数  79-80
  4.3 涡环与鼓包正碰的计算结果  80-103
    4.3.1 涡结构的演化  80-85
    4.3.2 涡量场在y=0平面的演化  85
    4.3.3 主涡环和二次涡环的运动轨迹  85-89
    4.3.4 涡结构的拉伸和Lamb矢量散度  89-91
    4.3.5 流场的动能和拟涡能以及主涡环强度随时间的演化  91-94
    4.3.6 鼓包表面压力和壁面涡通量  94-98
    4.3.7 涡结构的不稳定性  98-101
    4.3.8 流场的湍流分析  101-103
  4.4 涡环与鼓包斜碰的计算结果  103-114
    4.4.1 涡结构的演化  103-106
    4.4.2 涡量场在x=0平面的演化  106
    4.4.3 涡结构的拉伸和Lamb矢量散度  106-109
    4.4.4 主涡环轨迹及流场的动能和拟涡能  109-111
    4.4.5 鼓包表面压力和壁面涡通量  111-114
  4.5 本章小结  114-116
第五章涡环与圆柱相互作用的大涡模拟  116-138
  5.1 引言  116-117
  5.2 计算模型和参数  117-119
  5.3 计算验证  119-120
  5.4 计算结果与讨论  120-136
    5.4.1 三维涡结构的演化  120-123
    5.4.2 发卡涡的形成  123
    5.4.3 流场的动能和拟涡能  123-125
    5.4.4 涡量场和涡结构中心位置在y=0平面上的演化  125-127
    5.4.5 涡量场和涡结构中心位置在x=0平面上的演化  127-129
    5.4.6 圆柱的受力分析  129-134
    5.4.7 环状涡对主涡环的影响  134-136
  5.5 本章小结  136-138
第六章工作总结和展望  138-144
  6.1 工作总结  138-141
  6.2 主要创新点  141
  6.3 研究展望  141-144
附录A 一般曲线坐标系下N-S方程的形式  144-152
附录B 变量转换矩阵  152-154
参考文献  154-164
攻读博士学位期间的研究成果  164-166
致谢  166

涡环与固壁相互作用的大涡模拟研究

内容摘要

全文目录

相似论文