基于多松弛格子Boltzmann方法的自由射流数值模拟

发布时间：2017-09-20 15:44

  本文关键词：基于多松弛格子Boltzmann方法的自由射流数值模拟

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【摘要】：由于射流在水利工程,水力发电,航空航天工程,给排水工程等诸多工程领域中的广泛应用,射流问题一直是流体机械领域中的一个重要课题。一直有研究表明孔口形状的改变对射流流场特征值有着显著的影响。然而,在学术领域该种影响一直未得到充分的研究。因此,在这篇论文中,作者使用多松弛格子Boltzmann方法模拟了经典的二维(2-D)不可压缩平面自由射流。首先,在层流情况下,计算模拟了几个典型雷诺数(Re=50,100,300及700)三种典型孔口,平直孔口,渐缩孔口及渐扩孔口下的射流流场。本文中用一个参数,孔口斜率,来描述孔口形状的改变效应,也就是射流孔口出口处的斜率。数值实验表明孔口形状很大程度影响着射流流场。在本文中,通过改变射流孔口出口处的倾斜角度,即孔口斜率,来探究孔口形状对自由射流场的影响。而在湍流情况下,采用传统大涡模拟(Large-Eddy-Simulation)耦合多松弛格子Boltzmann方法来模拟高雷诺数下的湍性射流运动,并计算三种典型的孔口形状,即平直孔口,渐缩孔口及渐扩孔口三种情况下的平面自由射流场来探究孔口形状对自由射流流场特征量的影响。主要结论总结如下：层流情况下, (1)随着孔口形状由渐缩型变为渐扩性,最大轴线流向速度减小,与此同时,半速宽,即中轴线与该剖面上流向速度为轴线流速一半的位置之间的距离,以更大的速率增长； (2)轴线流向速度的倒数的3次方被证明与离坐标原点的射流轴线距离满足线性关系； (3)流向速度剖面的半速宽的3/2次幂被证明与射流轴线距离呈线性关系。然而,其中的线性参数随孔口斜率的改变而产生相应的变化。在湍流情况下, (1)雷诺数对轴线流向速度及各x坐标站流向剖面速度均值量均无太大影响,各雷诺数下的流场特征均值基本重合； (2)渐缩孔口使得各站流向速度剖面更加狭长,并使得轴线流向速度在出口处有较大幅度的上升；而渐扩孔口则使得各站流向剖面速度剖面展向宽度更大,并使得轴线流向速度开始下降的轴线坐标减小。
【关键词】：射流 格子Boltzmann方法 孔口形状 半速宽 大涡模拟
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U661;U674.76
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-15
• 1.1 研究背景及意义8
• 1.2 国内外研究现状8-10
• 1.2.1 实验及理论研究8-9
• 1.2.2 数值模拟9-10
• 1.3 求解流场运动的数值方法10-11
• 1.4 格子Boltzmann方法简介11-13
• 1.4.1 格子Boltzmann方法发展历史11-12
• 1.4.2 格子Boltzmann方法基本理论12-13
• 1.4.3 格子Boltzmann方法大涡模拟13
• 1.5 文章主要内容13-15
• 2 格子Boltzmann方法的基本理论15-30
• 2.1 格子Boltzmann方程15-16
• 2.2 由格子Boltzmann方程到Navier-Stokes方程16-21
• 2.3 格子Boltzmann方程基本模型21-23
• 2.3.1 单松弛(L-BGK)模型21-22
• 2.3.2 多松弛(MRT)模型22-23
• 2.4 格子Boltzmann方法的边界条件23-26
• 2.4.1 启发式格式24-25
• 2.4.2 动力学格式25-26
• 2.4.3 非平衡态外推格式26
• 2.5 多松弛格子Boltzmann方法大涡模拟(MRT-LES)26-29
• 2.5.1 大涡模拟Smagorinsky亚网格模型26-28
• 2.5.2 多松弛格子Boltzmann模型大涡模拟28-29
• 2.6 本章小结29-30
• 3 自由射流的格子Boltzmann建模及程序验证30-37
• 3.1 流场建模及边界处理30-31
• 3.2 射流入口孔口形状的改变31-32
• 3.3 层流情况(Re=10)程序验证32-33
• 3.4 湍流情况(Re=10000)程序验证33-36
• 3.4.1 多松弛格子Boltzmann方法大涡模拟(MRT-LES)33-34
• 3.4.2 湍流模型程序对比结果34-36
• 3.5 本章小结36-37
• 4 孔口变形下的流场数值分析37-75
• 4.1 层流情况下数值分析37-57
• 4.1.1 x=10h,20h,30h及60h坐标处无量纲流向速度剖面的自相似性.37-38
• 4.1.2 孔口斜率K_(sl)对无量纲轴向流向速度U_0的影响38-49
• 4.1.3 孔口斜率K_(sl)对射流扩散率的影响49-57
• 4.2 湍流情况下数值分析57-72
• 4.2.1 雷诺数Re对平直孔口下的射流场的影响57-63
• 4.2.2 雷诺数Re对渐缩孔口(K_(sl)=-0.3)下的射流场的影响63-68
• 4.2.3 雷诺数Re对渐扩孔口(K_(sl)=0.3)下的射流场的影响68-72
• 4.3 本章小结72-75
• 5 总结与展望75-77
• 5.1 全文总结75-76
• 5.2 研究展望76-77
• 参考文献77-81
• 附录1 攻读硕士学位期间发表学术论文情况81-82
• 附录2 攻读学位期间参加的学术会议82-83
• 附录3 攻读学位期间参与的科研项目83-84
• 致谢84-85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 赵立清;孙建红;许常悦;;采用格子Boltzmann方法对低雷诺数平面射流的流场分析(英文)[J];Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics;2012年03期

2 许常悦;吴丹;孙建红;;可压缩湍流圆孔射流的大涡模拟[J];南京航空航天大学学报;2010年05期

3 ;Large-Eddy Simulations of turbulent flows with lattice Boltzmann dynamics and dynamical system sub-grid models[J];Science in China(Series E:Technological Sciences);2009年03期

4 卢云涛;张怀新;潘徐杰;;全附体潜艇的流场和流噪声的数值模拟[J];振动与冲击;2008年09期

5 徐世凯;王勇;;自由射流出口临界雷诺数的确定[J];河海大学学报(自然科学版);2007年06期

6 肖洋;唐洪武;华明;王志良;;同向圆射流混合特性实验研究[J];水科学进展;2006年04期

7 俞孟萨,黄国荣,伏同先;潜艇机械噪声控制技术的现状与发展概述[J];船舶力学;2003年04期

8 夏振炎,姜楠;湍射流的三维LDV测量[J];流体力学实验与测量;2002年02期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 张文欢;基于格子Boltzmann方法的撞击流流动不稳定性的数值研究[D];华中科技大学;2013年

2 王春旭;水下湍射流及壁面湍流噪声预报方法[D];华中科技大学;2009年

3 孙智利;湍流的声学行为[D];北京大学;2002年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 赵立清;基于自由能格子Boltzmann方法的水下平面射流数值模拟[D];南京航空航天大学;2007年

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本文编号：888936