封闭槽道紊流相干结构研究

  随着实验及计算机技术的发展,人们发现槽道紊流中蕴含着非常丰富的紊流相干结构,这些结构的生成及演化过程将有助于阐明紊流的物理本质,促进流体力学学科研究的深入发展,在大量的工程中亦将得到实际应用。旋转强度法被广泛应用于提取紊流相干结构中的涡旋结构,然而已有文献普遍采用数值方法求解旋转强度,未能给出旋转强度的影响因素。此外,涡旋提取或采用二维旋转强度或采用三维旋转强度,两者结果间可比性较差,且三个切面（XY、XZ及YZ）内涡旋属性的研究尚不完整。本文经过推导给出了二维和三维旋转强度的理论解,并将其应用在:分析二维和三维旋转强度的差异;研究时均剪切对涡旋识别的影响;对比DNS槽道紊流中二维和三维涡旋属性在三个切面内的差异;建立方腔槽道紊流相干结构的唯象模型。主要结论如下:（1）推导得出二维和三维旋转强度的理论关系式（2.13）,利用DNS槽道紊流数据统计得出,二维旋转强度、λcr3Dl及线变形率占三维旋转强度的比重分别为84%、5%及11%。导致二维与三维旋转强度差异的本质原因为涡旋的倾角,统计发现两者比值与涡旋倾角间存在普适的正弦关系。（2）分别以存在垂向剪切的二、三维槽道紊流为例,推导得出时均剪切通过两项影响了涡旋的识别。仅当涡旋旋转平面与剪切平面一致、旋转方向与剪切方向相反、时均剪切大于涡旋中心涡量的一半时,时均剪切才会影响到涡旋的识别,且此条件主要出现在y+<50的区域。（3）对比槽道内三个切面（XY、YZ及XZ）的二维和三维涡旋属性可知:二维旋转强度会“破碎”三维旋转强度场,导致三维涡旋的密度略小于二维涡旋,而三维涡旋的面内半径略大于二维涡旋,但三维涡管半径小于二维涡旋半径。涡旋与三个切面间的倾角主要为45°55°;由倾角与投影角的联合概率密度分布可知,在近壁区内,涡旋方向具有规律性,随着垂向距离的增大,涡旋方向变得随机无序。（4）由于方腔的存在,槽道剪切层在导边处发生分离,往下游运动发展的过程中,冲撞在随边、下游边墙及方腔底部,导致了一系列复杂流态的产生。综合时均环流、瞬时涡旋、雷诺应力及POD模态,建立了方腔槽道紊流相干结构的唯象模型,可用于预测方腔内污染物滞留及泥沙淤积的位置。

 

清华大学北京市211工程院校985工程院校教育部直属院校

 

【学位级别】：博士

 

页数：102

 

文章目录

摘要

Abstract

第1章 引言

    1.1 研究的背景和意义

    1.2 槽道紊流相干结构研究现状

        1.2.1 壁面紊流相干结构

        1.2.2 涡旋识别方法

        1.2.3 槽道紊流的涡旋属性

    1.3 本文研究内容

第2章 涡旋旋转强度的理论解及应用

    2.1 旋转强度理论解

    2.2 二维与三维旋转强度的分析

        2.2.1 DNS槽道数据简介

        2.2.2 两者的统计值比较

        2.2.3 两者的代数关系

        2.2.4 两者比值与涡旋倾角的关系

    2.3 时均剪切对涡识别的影响

        2.3.1 二维槽道及Oseen涡案例

        2.3.2 三维槽道及Burgers涡案例

        2.3.3 三维DNS槽道紊流数据验证

    小结

第3章 槽道紊流中涡旋的数量和尺度

    3.1 术语定义及计算方法

        3.1.1 术语定义

        3.1.2 涡旋的密度及半径

    3.2 涡旋的密度

        3.2.1 二维涡旋密度

        3.2.2 三维涡旋密度

    3.3 涡旋的半径

        3.3.1 二维涡旋半径

        3.3.2 三维涡旋半径

    小结

第4章 槽道紊流中涡旋的方向

    4.1 术语定义及计算方法

    4.2 涡旋的方向

        4.2.1 倾角

        4.2.2 投影角

        4.2.3 倾角与投影角的JPDF

    4.3 Ω 形发夹涡模型

    小结

第5章 方腔槽道紊流相干结构

    5.1 实验系统及实验条件

    5.2 多级窗口迭代的定网格图像变形算法

    5.3 时均流场

    5.4 大尺度环流

    5.5 涡旋的空间分布

    5.6 POD分析

        5.6.1 主要含能模态

        5.6.2 含能模态的谱分析

    5.7 方腔槽道紊流相干结构的唯象模型

    小结

第6章 结论与展望

    6.1 结论

    6.2 创新点

    6.3 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究

 

参考文献

 

期刊论文

 

[1]明渠湍流横向涡旋的尺度与环量特征[J]. 钟强,陈启刚,李丹勋,王兴奎.  四川大学学报(工程科学版). 2013(S2)