可壓縮剪切湍流的直接模擬和大渦模擬研究.pdf

1、可壓縮湍流是流體力學(xué)中研究的重要問題之一。隨著計(jì)算科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)值模擬成為研究可壓縮湍流的一個(gè)重要手段。本文采用有限差分法數(shù)值求解了可壓縮Navier—Stokes方程，對(duì)于幾類典型的可壓縮剪切湍流問題進(jìn)行了直接數(shù)值模擬和大渦模擬研究。本文發(fā)展了一類無需密度加權(quán)平均的可壓縮湍流大渦模擬方法；開展了可壓縮波形壁湍流的大渦模擬和可壓縮混合層流動(dòng)的直接數(shù)值模擬。主要工作和研究成果如下： (1)提出了無需密度加權(quán)求解可壓

2、縮湍流的新型的大渦模擬方法。本文的方法克服了濾波變量和Favre平均變量的不自恰性，提出了一類更合理的大渦模擬方法。針對(duì)出現(xiàn)在連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程中的亞格子項(xiàng)，合理地建立了相關(guān)的亞格子模型，模型系數(shù)采用動(dòng)力學(xué)方法求解獲得。經(jīng)過與可壓縮槽道直接模擬結(jié)果的比較驗(yàn)證，證實(shí)了本文所提出的大渦模擬方法是合理可靠的。 (2)大渦模擬研究了可壓縮波形壁湍流問題。針對(duì)下壁面波形、上壁面平板的可壓縮槽道湍流，分析探討了波形壁不同波幅下可壓

3、縮湍流特性，研究了可壓縮湍流的近壁動(dòng)力學(xué)行為，著重分析了壁面曲面效應(yīng)及可壓縮性對(duì)湍流的影響。研究表明：隨著波幅的增大，流場(chǎng)的可壓縮效應(yīng)對(duì)湍流的影響增強(qiáng)。在波形壁附近，受到壁面曲面效應(yīng)影響的湍動(dòng)能方程中各項(xiàng)的貢獻(xiàn)與平板槽道流動(dòng)相差變大。壁面曲面效應(yīng)還改變了近壁處湍流結(jié)構(gòu)。由于壁面曲面效應(yīng)的影響，渦量拉伸扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、散度效應(yīng)以及斜壓效應(yīng)對(duì)旋渦動(dòng)力學(xué)特征的影響作用發(fā)生明顯變化。 (3)直接數(shù)值研究了二維可壓縮平面混合層和三維雙組分混合層

4、流動(dòng)問題。著重探討了對(duì)流馬赫數(shù)和雙組分密度分層對(duì)流動(dòng)的影響，分析了流動(dòng)的轉(zhuǎn)捩及擬序結(jié)構(gòu)的演化過程。研究表明：隨著對(duì)流馬赫數(shù)的增加，混合層的擾動(dòng)增長(zhǎng)率降低，可壓縮效應(yīng)增強(qiáng)，流場(chǎng)中出現(xiàn)復(fù)雜的渦一激波干擾結(jié)構(gòu)。另一方面，密度分層對(duì)混合層的發(fā)展演化影響也很大，混合層的擾動(dòng)增長(zhǎng)率隨著密度比的增大而降低。在雙組分混合層發(fā)展初期，可壓縮效應(yīng)尤其是斜壓效應(yīng)對(duì)旋渦的發(fā)展起主要影響作用。在發(fā)展后期，壓縮性影響減弱，渦量拉伸扭轉(zhuǎn)作用主要改變著旋渦動(dòng)力學(xué)特征。