基于旋流强度的亚格子模型及其在不可压流动大涡模拟中的应用

发布时间：2017-03-24 03:09

  本文关键词：基于旋流强度的亚格子模型及其在不可压流动大涡模拟中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大涡模拟(LES)能实现对非定常湍流流动的精细模拟,优于雷诺平均(RANS),但是计算量较大。随着计算机计算水平的提高,将LES用于实际工程是一种发展趋势。LES的思想是采用低通滤波器对Navier-Stokes (NS)方程进行过滤,仅对大尺度的涡进行直接模拟,丢失的小尺度信息则采用亚格子模型来描述。根据亚格子尺度的不同特性,已经发展出多种亚格子模型,但是目前的亚格子模型均没有说明,在何种情况下,LES能够直接过渡成直接数值模拟(DNS)进行计算。为了克服这个缺点,鉴于旋流强度能够较好的反映旋涡特性,本文结合涡粘性假设,提出了一种基于旋流强度的亚格子模型。该模型具有当地无旋涡时,湍流粘性系数自动为零的特性。并将该模型用于低Re数和高Re数下不可压的湍流方柱绕流和不可压低湍流度的方腔流的模拟。此外,本文采用投影法离散控制方程,并对空间对流项进行改进了,使其达到了4阶精度,并用于LES计算。采用基于旋流强度的亚格子模型,对低Re数和高Re数下不可压的湍流方柱绕 流模拟时,结果表明： (1)在低Re数(Re∈[2.5×103,10×103])和高Re数(Re∈[1.25×105,3.5×105])下,St数均很明显与Re数不相关,平均阻力系数CD也基本与Re数不相关,平均升力系数CL的平均值为0,与Re数无关,与实验结果一致。但是,当Re∈[1.0×103,2.5×103]时,平均阻力系数CD随着Re的增大而增大。另外,在方柱绕流问题中,没有出现类似圆柱绕流中的阻力危机临界现象。 (2)Re∈[1.25×105,3.5×105]时,归一化的平均速度及速度脉动分布受Re数影响较小,计算结果与实验相符。 (3)VST的平均值与均方平均值均随Re数的增大而增大,它的峰值一般出现在方柱下游涡相互作用比较强的2个区域内。 (4) Komogorov微尺度分布显示,近壁面的湍动能耗散较强。湍流间歇因子(FSI)的等值面显示在旋涡脱落的初始位置分成薄片状的旋涡结构,而在尾迹区则表现为很多相对较小的旋涡结构。 (5)t-z平均流场不沿着y=0.5对称,导致顶部的面Nusselt数t-z平均值和底部的不同。在方腔自然对流问题中,结果表明： (1)通过壁面附近的温度和速度分布及不同截面上的涡量分布可知,对方腔自然对流问题,在方腔的壁面附近会形成较大的气体环流带,伴随着壁面附近的环流,在壁面环流与方腔的核心区之间形成了一些与壁面环流方向相反的旋涡,在方腔的左上角与右下角将出现较多、较复杂的细小旋涡结构。 (2)Ra=1.58×109时,中平面上(z=0)水平中心线的速度分布与实验值在壁面最里层区域和方腔的核心区内符合的较好,但水平中心线左侧热壁附近的平均速度最大值的计算值大于实验值。垂直中心线的速度与实验值符合得较好。中平面水平线上无量纲温度的计算值略低于实验值,垂直中心线上的分布符合得较好。但是它们都会受到Ra数变化的影响。 (3)Ra=1.58×109时,v’和(?)’与实验值符合得较好,而u’的计算值则明显被低估了,因而最后也导致热壁附近的湍流剪切应力被低估。随着当Ra数的增大,仅壁面环流的主流速度的脉动获得了加强,而垂直于壁面的速度的脉动变化不明显,温度的脉动也被抑制。 (4)Ra=1.58×109时,各面的Nusselt数与实验值符合得较好,与理论值相差小于8%。顶面的Nusselt数沿x方向逐渐增大,底面的Nusselt数沿x方向逐渐减小。左侧热壁的Nusselt数沿y方向逐渐减小,右侧冷壁的Nusselt数沿y方向逐渐增大。 通过对低Re数和高Re数下不可压的湍流方柱绕流及不可压方腔自然对流问题计算结果与实验值和理论值的比较表明,本文提出的基于旋流强度的亚格子模型及改 进的有限差分算法在此类问题的计算中是有效的。
【关键词】：亚格子模型 大涡模拟 湍流 旋流强度 方柱绕流 方腔流 自然对流 FSI 湍流间歇性
【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】：2015
【分类号】：O357.5
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 插图目录12-15
• 表格目录15-16
• 符号表16-17
• 第一章 绪论17-31
• 1.1 研究背景17-18
• 1.2 大涡模拟的研究18-28
• 1.2.1 滤波与大涡模拟控制方程18-20
• 1.2.2 亚格子模型20-27
• 1.2.3 其它形式的大涡模拟27-28
• 1.3 本文主要工作28-31
• 第二章 控制方程与数值方法31-41
• 2.1 引言31
• 2.2 旋流强度31-32
• 2.3 基于旋流强度的亚格子应力模型32-34
• 2.4 数值方法34-38
• 2.4.1 求解过程34-35
• 2.4.2 双稳定共轭梯度法35-36
• 2.4.3 算法改进36-37
• 2.4.4 计算时间步的可靠性估计37-38
• 2.5 亚格子模型的考核38-39
• 2.6 基于旋流强度的亚格子模型特性39-40
• 2.7 本章小结40-41
• 第三章 低Re数下不可压方柱绕流的大涡模拟41-57
• 3.1 引言41-44
• 3.2 计算参数与网格划分44-46
• 3.3 初边值条件46-47
• 3.4 计算结果分析与讨论47-55
• 3.4.1 湍流统计量47-50
• 3.4.2 瞬时流场50-52
• 3.4.3 t-z平均场52-54
• 3.4.4 瞬时等值面54-55
• 3.5 本章小结55-57
• 第四章 高Re数下不可压方柱绕流的大涡模拟57-75
• 4.1 引言57-58
• 4.2 计算参数与网格划分58
• 4.3 初边值条件58-59
• 4.4 计算结果分析与讨论59-72
• 4.4.1 湍流统计量60-64
• 4.4.2 Nusselt数64-65
• 4.4.3 流动分布65-67
• 4.4.4 瞬时流场67-69
• 4.4.5 t-z平均场69-71
• 4.4.6 瞬时等值面71-72
• 4.5 本章小结72-75
• 第五章 方腔自然对流的大涡模拟75-95
• 5.1 引言75-77
• 5.2 计算参数与网格划分77-79
• 5.3 控制方程79
• 5.4 边界条件79-80
• 5.5 数值方法80-81
• 5.6 计算结果分析与讨论81-91
• 5.6.1 湍流统计量82-87
• 5.6.2 Nusselt数87-89
• 5.6.3 瞬时流场89-91
• 5.6.4 湍流的间歇性91
• 5.7 本章小结91-95
• 第六章 结束语95-101
• 6.1 本文主要工作95-98
• 6.2 主要创新点98
• 6.3 研究展望98-101
• 参考文献101-113
• 攻读博士学位期间的研究成果113-115
• 致谢115

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：264989