Liutex涡识别方法及翼型绕流转捩研究
发布时间：2021-04-06 15:45
涡结构通常在湍流中被称为湍流相干结构,它被认为是湍流产生和维持过程中最显著的特征之一,并且对湍流的产生（转捩）、维持和演化起着重要作用。因此,研究湍流可以从以下两个方面展开,首先主要是给出涡和相干结构的明确和普遍接受的定义,借助于明确的涡定义形成对湍流结构清楚的认识。然后进一步研究了解涡的动力学特性及其与湍流的关系,本文主要工作和研究成果如下:（1）在刘超群等人提出的Liutex涡识别方法的基础上,从速度梯度张量的一种特殊（转置）Schur形式出发,导出了计算Liutex矢量的一个简单而明确的表达式,大大简化了 Liutex的实现过程,有助于Liutex概念在湍流研究中的应用。（2）分析Liutex的动力学特性。在平板边界层的DNS计算结果达到稳定状态之后,记录边界层内不同流动状态位置的Liutex、Q、Vorticity以及速度脉动随时间步的变化,对各变量进行频谱分析以及湍动能谱分析,得出以下结论:Liutex的频率谱和波数谱几乎完全遵循-5/3定律,而涡量以及其他涡识别方法,偏离任何阶次的幂数律。此外,湍动能谱仅在在较小的频率范围内与-5/3定律略有吻合。这种明显的Liutex相似...
【文章来源】：浙江理工大学浙江省
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１后掠翼的失稳机理．??
Ｇ６ｒｔｌｅｒ？涡的形??式出现。??ＴＳ?ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ??Ｃｒｏｓｓ?－ｆｌｏｗ?ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ??ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ?????Ｌｅａｄｉｎｇ?ｅｄｇｅ?ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ?＝??Ｖｏｒｔｅｘ?ｓｔｒｅｔｃｈｎｇ?ｅｆｆｅｃｔ?—?＾??３－Ｄ?ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ?ＴＳ?ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ?３－Ｄ?ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ??ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ?Ｃｒｏｓｓ－ｆｌｏｗ?ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ?ｉｎｓｔａｂｄｉｔｙ??图１．１后掠翼的失稳机理．??横流失稳发生在后掠面或旋转盘的（顺）压力梯度区域。在边界层外的无粘区，??后掠和压力梯度的联合作用使得在边界层边缘流线弯曲。在边界层内部，流向速度??减小，但压力梯度不变。因此，向心加速度和压力梯度之间的平衡性消失。这种不??平衡导致边界层中的二次流动，称为横流，方向垂直于无粘流线的方向。三维剖面??和分解流向及横流速度剖面如图１．３所示。??？?＾?＿??ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ?（Ｚｔ）?＼??＼?＼?＼??＼?ｃｒｏｓｓｆｌｏｗ??＼?＼?Ｕｅｔ?＼?ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ?）一ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ??々?。。—??／＇Ｖ?ｗａｌｌ?ｓｈｅａｒ??ＩＮＶＩ５ＣＩＤ?／?＼?＼??ＳＴＲＥＡＭＬＩＮＥｙ?＼?＼?Ｚ???／］，??—＾?＾??图１．２．掠翼上无粘性流线的示意图?图１．３．后掠翼边界层速度剖面??８??
浙江理工大学博士学位论文?Ｌｉｕｔｅｘ涡识别方法及翼型绕流转捩研宄??并且后掠翼上的转捩过程，明显地不同于通常的流向不稳定性。在前缘区域，表面??和下部流线都是高度弯曲的。压力梯度以及后掠角的结合作用使得无粘流线发生??如图１．３所示的弯曲。??１２－?１２－??？?ｔ?Ｉ?８??匕?？??ＩＤ?ＵＪ??Ｑ?Ｏ??＾?４?－?＾?４?－?／??）?＞?ｙ??〇?－—■－?＾Ｚ?＇??０．０?０．５?１．０?－０．０４?－０，０２?０．００??Ｓ丁ＲＥＡＭＷＩＳＥ?ＶＥＬＯＣＩＴＹ?ＣＲＯＳＳＦＬＯＷ?ＶＥＬＯＣＩＴＹ??图１．４．流向和横流速度的速度剖面（Ｒｅｅｄ丨９８８）??Ｒｅｅｄ?（?１９８８?）?％得到局部流向和横流速度剖面定量计算结果如图１．４所示。??两个速度分量通过边界层边缘速度归一化。横流剖面显示出一个拐点（已知的动态??不稳定条件）引起所谓横流涡，其轴为流向。这些横流涡都沿着同一方向旋转，并??且在沿其流向方向查看时，呈现出熟悉的“猫眼”形状，如图１．５所示。??图１．５，横流满??Ｐｏｌｌ?（１９８５?）?＇的实验工作集中在横流稳定性上，他指出偏航会破坏后掠圆柱??上的流动稳定性，并且他从两方面描述了这种不稳定。第一个方面是通过表面蒸发??或油流技术显示的可视化的固定扰动，这些扰动的特点是沿无粘流方向有规律的??间隔条纹，在转捩位置形成锯齿状图案。第二个方面是以大振幅、高频谐波为形式??的频率将近为ＩＫＺ非定常扰动。??Ｍｉｃｈｅｌ等人（１９８５?）?“在后掠翼模型上对横流不稳定性进行了一些很好的实??验。通过表面ｎｊ■视化技术显示了与无粘流方向一
【参考文献】：
期刊论文
[1]Determination of epsilon for Omega vortex identification method[J]. 董祥瑞,王义乾,陈小平,Yinlin Dong,张宇宁,Chaoqun Liu. Journal of Hydrodynamics. 2018(04)
[2]三维边界层内定常横流涡的感受性研究[J]. 沈露予,陆昌根. 物理学报. 2017(01)
[3]New omega vortex identification method[J]. ChaoQun Liu,YiQian Wang,Yong Yang,ZhiWei Duan. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(08)
博士论文
[1]基于边界层转捩直接数值模拟的湍流生成与维持机理研究[D]. 王义乾.南京航空航天大学 2016
[2]三维边界层流动失稳与Bypass转捩模式研究[D]. 徐国亮.清华大学 2011
[3]不可压缩湍流大涡模拟研究[D]. 邓小兵.中国空气动力研究与发展中心 2008
本文编号：3121692
【文章来源】：浙江理工大学浙江省
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１后掠翼的失稳机理．??
Ｇ６ｒｔｌｅｒ？涡的形??式出现。??ＴＳ?ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ??Ｃｒｏｓｓ?－ｆｌｏｗ?ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ??ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ?????Ｌｅａｄｉｎｇ?ｅｄｇｅ?ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ?＝??Ｖｏｒｔｅｘ?ｓｔｒｅｔｃｈｎｇ?ｅｆｆｅｃｔ?—?＾??３－Ｄ?ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ?ＴＳ?ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ?３－Ｄ?ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ??ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ?Ｃｒｏｓｓ－ｆｌｏｗ?ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ?ｉｎｓｔａｂｄｉｔｙ??图１．１后掠翼的失稳机理．??横流失稳发生在后掠面或旋转盘的（顺）压力梯度区域。在边界层外的无粘区，??后掠和压力梯度的联合作用使得在边界层边缘流线弯曲。在边界层内部，流向速度??减小，但压力梯度不变。因此，向心加速度和压力梯度之间的平衡性消失。这种不??平衡导致边界层中的二次流动，称为横流，方向垂直于无粘流线的方向。三维剖面??和分解流向及横流速度剖面如图１．３所示。??？?＾?＿??ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ?（Ｚｔ）?＼??＼?＼?＼??＼?ｃｒｏｓｓｆｌｏｗ??＼?＼?Ｕｅｔ?＼?ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ?）一ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ??々?。。—??／＇Ｖ?ｗａｌｌ?ｓｈｅａｒ??ＩＮＶＩ５ＣＩＤ?／?＼?＼??ＳＴＲＥＡＭＬＩＮＥｙ?＼?＼?Ｚ???／］，??—＾?＾??图１．２．掠翼上无粘性流线的示意图?图１．３．后掠翼边界层速度剖面??８??
浙江理工大学博士学位论文?Ｌｉｕｔｅｘ涡识别方法及翼型绕流转捩研宄??并且后掠翼上的转捩过程，明显地不同于通常的流向不稳定性。在前缘区域，表面??和下部流线都是高度弯曲的。压力梯度以及后掠角的结合作用使得无粘流线发生??如图１．３所示的弯曲。??１２－?１２－??？?ｔ?Ｉ?８??匕?？??ＩＤ?ＵＪ??Ｑ?Ｏ??＾?４?－?＾?４?－?／??）?＞?ｙ??〇?－—■－?＾Ｚ?＇??０．０?０．５?１．０?－０．０４?－０，０２?０．００??Ｓ丁ＲＥＡＭＷＩＳＥ?ＶＥＬＯＣＩＴＹ?ＣＲＯＳＳＦＬＯＷ?ＶＥＬＯＣＩＴＹ??图１．４．流向和横流速度的速度剖面（Ｒｅｅｄ丨９８８）??Ｒｅｅｄ?（?１９８８?）?％得到局部流向和横流速度剖面定量计算结果如图１．４所示。??两个速度分量通过边界层边缘速度归一化。横流剖面显示出一个拐点（已知的动态??不稳定条件）引起所谓横流涡，其轴为流向。这些横流涡都沿着同一方向旋转，并??且在沿其流向方向查看时，呈现出熟悉的“猫眼”形状，如图１．５所示。??图１．５，横流满??Ｐｏｌｌ?（１９８５?）?＇的实验工作集中在横流稳定性上，他指出偏航会破坏后掠圆柱??上的流动稳定性，并且他从两方面描述了这种不稳定。第一个方面是通过表面蒸发??或油流技术显示的可视化的固定扰动，这些扰动的特点是沿无粘流方向有规律的??间隔条纹，在转捩位置形成锯齿状图案。第二个方面是以大振幅、高频谐波为形式??的频率将近为ＩＫＺ非定常扰动。??Ｍｉｃｈｅｌ等人（１９８５?）?“在后掠翼模型上对横流不稳定性进行了一些很好的实??验。通过表面ｎｊ■视化技术显示了与无粘流方向一
【参考文献】：
期刊论文
[1]Determination of epsilon for Omega vortex identification method[J]. 董祥瑞,王义乾,陈小平,Yinlin Dong,张宇宁,Chaoqun Liu. Journal of Hydrodynamics. 2018(04)
[2]三维边界层内定常横流涡的感受性研究[J]. 沈露予,陆昌根. 物理学报. 2017(01)
[3]New omega vortex identification method[J]. ChaoQun Liu,YiQian Wang,Yong Yang,ZhiWei Duan. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(08)
博士论文
[1]基于边界层转捩直接数值模拟的湍流生成与维持机理研究[D]. 王义乾.南京航空航天大学 2016
[2]三维边界层流动失稳与Bypass转捩模式研究[D]. 徐国亮.清华大学 2011
[3]不可压缩湍流大涡模拟研究[D]. 邓小兵.中国空气动力研究与发展中心 2008
本文编号：3121692
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