可压缩槽道湍流中压力及其导数的数值模拟和理论研究
发布时间：2021-10-09 21:35
可压缩槽道湍流压力相关特性的研究在流动物理和工程应用中都具有重要意义。本文采用直接数值模拟方法研究了可压缩槽道湍流中可压缩效应对压力脉动统计的影响,分析了压力-Hessian张量的统计特性,并理论推导了一种可压缩速度梯度张量的动力学模型。具体工作和研究成果如下:（1）研究了不同马赫数的等温壁面槽道湍流中可压缩效应对压力脉动统计特性的影响。提出压力脉动分解方法,采用可压缩压力脉动表征可压缩效应。结果表明,与低马赫数流动（包括不可压缩流动）相比,高马赫数流动中,压力及其梯度的脉动强度减弱,在近壁区域出现峰值,同时压力梯度壁面法向分量的偏斜因子和平坦因子也明显减小。通过对流动结构和能谱的研究,发现高马赫数流动中粘性底层形成的可压缩压力脉动正负相间分布结构是导致这一统计结果的原因。正负相间压力分布结构的流向尺度明显小于条带结构的流向尺度并位于低速条带区域。基于线性化N avier-Stokes方程算子的特征值谱分析表明,正负相间压力分布结构是局部流速相对扰动波速达到超声速而形成的声模式压力脉动,这一脉动模式倾向于在高马赫数、低温低速的流动区域形成。利用瞬态增长分析,发现达到最优瞬态增长倍数时对...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图３．１槽道流动数值模拟的计算域示意图
?第三章可压缩槽道湍流的压力统计特性研究??６００?－?ｃａｓｅ?Ｍ０．２??ｃａｓｅ?Ｍｌ．５??Ｇ；?ｔ??，ｃａｓｅ?Ｍ３．８??４００?－???ｂｏｔｔｏｍ?ｗａｌｌ???ｕｐｐｅｒ?ｗａｌｌ??３００－??０?１００?２００?３００?４００?５００??ｔＵＢ／ｈ??图３．２槽道湍流统计定常阶段摩擦雷诺数随时间的演化。??３．２．２?计算结果验证??图３．２给出了三个算例的数值模拟进行一段时间后摩擦雷诺数随时间的变化。可??以看出不同算例的摩擦雷诺数随时间变化不大，可视为达到了统计定常状态。随着马??赫数增加，可以看到摩擦雷诺数随时间变化的起伏明显增强，这是由于在可压缩壁面??湍流中流动的大尺度结构相干性增强（Ｃｏｌｅｍａｎ?ｅ（?ａＬ，?１９９５；?Ｄｕａｎ?ｅｆ?ａ丨．，２０１１），后续??将详细讨论这一现象。图３．２所示的时间也是各个算例采集数据进行统计分析的时间??段。在统计定常阶段各算例的流动参数如表３．２所示，其中是流场采样时间长??度，５／匕是槽道中心线上的平均温度，是壁面处的??无量纲平均热流（Ｃｏｌｅｍａｎ?ｅｆ?ａ／．，１９９５），ｍａｘｊｐ＾＾／刃是密度脉动均方根的最大值。??这里将所得的平均流动剖面、雷诺应力分布以及涡量脉动分布与其他文献的数值??模拟结果进行比较，验证计算结果的可靠性。图３．３给出了平均ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ速度??的°?＝釜１畏泡?（３．６）??沿壁面法向的分布。可以看出，本文的数值模拟结果与文献对比较好。算例Ｍ０．２的??平均速度分布与不可压缩槽道流动的分布一致，在对数率区符合对数分布。尽管使用??了?ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ变换来包含平均密度沿壁
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【参考文献】：
期刊论文
[1]Scaling of energy spectra in weakly compressible turbulence[J]. Yufeng Dong,Guowei He. Acta Mechanica Sinica. 2017(03)
[2]Scaling laws of compressible turbulence[J]. Bohua SUN. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2017(06)
[3]Interaction between strain and vorticity in compressible turbulent boundary layer[J]. CHU You Biao,WANG Li,LU Xi Yun. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(12)
博士论文
[1]激波干扰及超声速湍流边界层的数值模拟研究[D]. 褚佑彪.中国科学技术大学 2013
[2]可压缩湍流边界层统计特性的直接数值模拟研究[D]. 汪利.中国科学技术大学 2011
本文编号：3427043
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图３．１槽道流动数值模拟的计算域示意图
?第三章可压缩槽道湍流的压力统计特性研究??６００?－?ｃａｓｅ?Ｍ０．２??ｃａｓｅ?Ｍｌ．５??Ｇ；?ｔ??，ｃａｓｅ?Ｍ３．８??４００?－???ｂｏｔｔｏｍ?ｗａｌｌ???ｕｐｐｅｒ?ｗａｌｌ??３００－??０?１００?２００?３００?４００?５００??ｔＵＢ／ｈ??图３．２槽道湍流统计定常阶段摩擦雷诺数随时间的演化。??３．２．２?计算结果验证??图３．２给出了三个算例的数值模拟进行一段时间后摩擦雷诺数随时间的变化。可??以看出不同算例的摩擦雷诺数随时间变化不大，可视为达到了统计定常状态。随着马??赫数增加，可以看到摩擦雷诺数随时间变化的起伏明显增强，这是由于在可压缩壁面??湍流中流动的大尺度结构相干性增强（Ｃｏｌｅｍａｎ?ｅ（?ａＬ，?１９９５；?Ｄｕａｎ?ｅｆ?ａ丨．，２０１１），后续??将详细讨论这一现象。图３．２所示的时间也是各个算例采集数据进行统计分析的时间??段。在统计定常阶段各算例的流动参数如表３．２所示，其中是流场采样时间长??度，５／匕是槽道中心线上的平均温度，是壁面处的??无量纲平均热流（Ｃｏｌｅｍａｎ?ｅｆ?ａ／．，１９９５），ｍａｘｊｐ＾＾／刃是密度脉动均方根的最大值。??这里将所得的平均流动剖面、雷诺应力分布以及涡量脉动分布与其他文献的数值??模拟结果进行比较，验证计算结果的可靠性。图３．３给出了平均ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ速度??的°?＝釜１畏泡?（３．６）??沿壁面法向的分布。可以看出，本文的数值模拟结果与文献对比较好。算例Ｍ０．２的??平均速度分布与不可压缩槽道流动的分布一致，在对数率区符合对数分布。尽管使用??了?ｖａｎ?Ｄｒｉｅｓｔ变换来包含平均密度沿壁
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【参考文献】：
期刊论文
[1]Scaling of energy spectra in weakly compressible turbulence[J]. Yufeng Dong,Guowei He. Acta Mechanica Sinica. 2017(03)
[2]Scaling laws of compressible turbulence[J]. Bohua SUN. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2017(06)
[3]Interaction between strain and vorticity in compressible turbulent boundary layer[J]. CHU You Biao,WANG Li,LU Xi Yun. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(12)
博士论文
[1]激波干扰及超声速湍流边界层的数值模拟研究[D]. 褚佑彪.中国科学技术大学 2013
[2]可压缩湍流边界层统计特性的直接数值模拟研究[D]. 汪利.中国科学技术大学 2011
本文编号：3427043
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