圆盘近尾迹的数值模拟研究

发布时间：2017-12-25 13:03

本文关键词：圆盘近尾迹的数值模拟研究　出处：《中国科学技术大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：圆盘绕流在空气动力学和水力动力学装置中有广泛应用,如降落伞和火焰稳定器,因而成为不少数值和实验研究的主题。另一方面,圆盘作为一种典型的带尖锐边缘的轴对称钝体,其尾迹研究能帮助我们理解复杂三维钝体绕流中剪切层分离、转变和尾迹的发展。此外,相比于球或圆柱,圆盘尾迹的研究文献还相对较少,对其复杂物理过程的了解还不全面与深刻。本文对径厚比为5的圆盘近尾迹演化过程、湍流结构、不稳定性等开展系统的数值研究,选题具有重要的学术价值及工程应用背景。本文主要工作及创新点如下：首先,对低雷诺数(115Re103)时圆盘近尾迹的演化进行数值研究,发现了一个新模态及边界层不稳定临界雷诺数。当Re152时,尾迹呈稳态,没有涡旋脱落发生。当Re=120时,第一个分叉出现,尾迹为双头状结构。当雷诺数增加到152,尾迹呈发夹涡结构,并有规律地脱落。在152≤Re≤155时,近尾迹为非稳态面对称破坏模态；而在156Re264时,尾迹变为非稳态面对称模态。研究发现,在非稳态面对称破坏模态,发夹涡在固定周向方位脱落;而在非稳态面对称模态,发夹涡在径向相对的两个周向方位交替脱落。当雷诺数增加到265时,发夹涡周向脱落方位开始变得不规律,一个新的‘4L’尾迹模态被识别。当雷诺数增加到650,发生剪切层不稳定。本文首次预测了剪切层不稳定性出现的临界雷诺数是在601～650之间。包裹在涡旋形成区外面的圆柱状剪切层开始卷起并形成扁平状涡环。此时,发夹涡开始破碎,尾迹中可观测到剪切层不稳定性引起的小尺度结构。其次,采用条件平均研究Re=104圆盘湍流近尾迹,发现层流演化中的非稳态面对称及面对称破坏结构。观察到整个近尾迹的大尺度波动,并引入“尾迹位置”研究其波动机制。研究表明,圆盘尾迹大尺度波动是由于近尾迹中同时存在许多不规则的螺旋或类螺旋结构引起的。“尾迹位置”的相图能很好地描述大尺度涡旋脱落周向方位的运动,且运动变化频率与大尺度涡旋脱落频率相等。通过两种不同条件采样,可发现圆盘湍流近尾迹中存在两种相干结构：与低雷诺数时非稳态面对称模态近尾迹结构类似的面对称相干结构,和与非稳态面对称破坏模态近尾迹结构类似的非对称相干结构。再者,本文基于三维适定正交分解(3D-POD)方法揭示了圆盘湍流近尾迹和低雷诺数近尾迹之间的物理关联机制。选取算例为Re=152、170、300和3×103的圆盘近尾迹,分别对应于非稳态面对称破坏、非稳态面对称、弱紊乱模态和湍流状态。通过对POD空间模态的分析,发现由第一模态对表征的面对称涡旋脱落一直存在于所有不同尾迹状态中。当近尾迹发展为“弱紊乱”模态时,由第二模态对表征的一种新的面对称破坏涡旋脱落开始出现,并在Re=3×103的湍流尾迹中完全形成。另一方面,湍流近尾迹中由前两个POD模态重构提取的相干结构,与非稳态面对称模态近尾迹结构十分类似；而由前四个POD模态重构提取的相干结构,则与非稳态面对称破坏模态近尾迹结构十分类似。这些结果表明低雷诺数时非稳态面对称破坏和非稳态面对称两个模态的尾迹动力学特征和不稳定性(如大尺度涡旋脱落机制)仍然存在圆盘湍流近尾迹中。最后,本文对圆盘近尾迹中低频特征进行研究,并揭示了两个低频发生机制及其相应湍流结构物理特征。研究中,选取算例为Re=250、300、3×103和104时圆盘近尾迹。流场中不同位置处速度的傅里叶频谱分析表明,当雷诺数增加到300时圆盘近尾迹中除了大尺度涡旋脱落频率和对应于剪切层KH不稳定性的频率外,还检测到几个非常低的频率：Stp≈0.03、Str≈0.02,Str的二次谐波0.04及0.05。鉴于本文数据采样总时间比较有限,故借助小波分析方法来验证及进一步研究分析。小波谱上对应于大尺度涡旋脱落和剪切层KH不稳定的频率带,其谱强度和频率值都会随时间发生变化。这也再次说明传统傅里叶频谱分析对有限的数值模拟信号不再有代表性。尽管如此,低频率Stp=0.03和Str≈0.02都被清楚地证实,而低频率0.04和0.05在小波谱上仅在少数时间段出现而且谱强度非常弱。研究发现低频特征频率基本不随雷诺数增加而改变。通过FFT及小波分析,低频特性及其机制变得更加清晰。低频率Stp≈0.03对应于回流区的低频轴向伸缩脉动,而低频率Str≈0.02则是对应于大尺度涡旋周向脱落方位旋转的低频调制,即旋转方向的改变。为了验证上述机制,对低通过滤后流场的时间演化进行分析发现,回流区的伸缩脉动是与回流区中大涡旋的生长和脱落有关,也与剪切层卷吸运动密切相关。剪切层开始卷起的位置越靠近下游,则相应的回流区轴向越长；反之,剪切层开始卷起的位置越靠近圆盘,则相应的回流区轴向越短。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O357.5

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