（流体力学专业论文）湍流传热和湍流控制的数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 本文采用直接数值模拟和大涡模拟方法 研究了几种典型的湍流传热和湍流控制问 题 包括振荡压力梯度驱动的槽道湍流和被动传热 以及带c a 由面的稳定热分层槽道 湍流 展向行波洛仑兹力作用下的湍流和传热 展向振荡波形壁湍流的湍流特性和减 阻控制 研究表明 在各类驱动力包括振荡的压力梯度 热分层引起的浮力 展向行 波洛仑兹力以及波形壁的展向振荡等的影响下 湍流统计量 热统计量以及流动结构 等都存在显著改变 并发现一些新的流动特性 本文主要工作和研究成果如下 在振荡压力梯度驱动下的槽道湍流中 在加速相位和减速相位 流动体现出不同的 特性 在加速相位 湍流受到抑制 高低速条带破碎为 湍斑 而在减速相位 湍流 增强 条带结构强度加强 不同频率下 振荡压力梯度的影响不同 低频振荡时 在 不同相位 速度及温度统计量会有明显差异 高频振荡时 振荡压力梯度的影响则相 对较弱 时间平均和相位平均的温度分布都存在线性区和对数律区 温度分布的对数 律曲线中的v o l lk a r m a n 常数基本不受p r a n d t l 数和相位的影响 时间平均以及相位平 均的湍流传热系数很好地满足p r 2 3 或p r 7 关系 高p r a n d t l 数下传热主要由粘性 底层之内的小尺度湍流结构主导 在稳定分层的自由面湍流中 稳定分层使得湍流边界层出现层流化趋势 带来相 应湍流统计量的变化 不同p r a n d t l 数f 分层的影响不同 高p r a n d t l 数下 稳定 分层对湍流统计量的影响较小 同时 由于温度场与速度场耦合地相互作用 p i a n d t l 数的降低 使得稳定分层导致的层流化的趋势加强 温度分布的v o i ik a r m a n 常数随 r i c h a j d s o n 数变化 基本不随p r a n d t l 数变化 固壁刚近温度扩散底层厚度满足p r 3 或p r 一03 关系 自由面附近则近似为p r 1 2 律 自由面附近的n u s s e l t 数满足p r l 2 律 p r a n d t l 数和r i c h a r d s o n 数的影u 鼬改变了近壁面速度场和温度场结构 进而影响了 表面更生行为发生的频率和自由面表面的传热传质过程 在展向行波洛仑兹力作用下的湍流和传热问题中 展向行波洛仑兹力引入了展向 的运动和外部的流向涡 并且频率越低 其强度越强 在高频时 条带结构强度减 弱 导致较小的减刚 合适的频率下高低速条带结构消失 条带结构十分稳定 产生 3 0 的减阻 存更低的频率下 展向运动使得流i 句速度脉动和涡量脉动大大增强 导致 阻力增加 壁面附近速度场的改变也引起r 温度场结构和统计量以及传热效率的相应 变化 在低p r a n d t l 数下 通过表面更生行为影响了自由面 冷热斑 的形成 在展向振荡波形壁上的湍流流动问题中 波形壁面的展向振荡产生显著的减阻效 果 其摩阻与振荡频率和波幅有关 当振荡周期t 1 0 0 时 由于引入了展向涡量 减弱了流向涡 导致减阻 摩阻随着波幅的i 曾j j n 而增加 当t 2 0 0 时 随着波幅 的增加 壁面的展向运动从流向吸取能量并分配到展向 带来展向运动的增强和摩阻 的降低 当波幅进一步增加时 展向运动的增强导致 流向涡的增强 而使得阻力增 摘要 加 研究还表明 壁面附近的流场结构与波形壁面形状密切相关 关键词 直接数值模拟大涡模拟湍流控制湍流传热稳定热分层湍流 英文摘要 a b s t r a c t d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n d n s a n dl a r g ee d d ys i m u l a t i o n l e s a r eu s e dt os t u d y s o m et y p i c a lt u r b u l e n tf l o w h e a tt r a n s f e ra n dc o n t r o lp r o b l e ms i n c l u d i n go s c i l l a t i n g t u r b u l e n tc h a n n e lf l o w sw i t hp a s s i v eh e a tt r a n s f e r t h e r m a l l ys ta b l ys t r a t i f e dt u r b u l e n t o p e nc h a n n e lf l o w s t u r b u l e n tf l o w sw i t hh e a tt r a n s f e rc o n t r o l l e db yt r a n s v e r s et r a v e l i n g 黝憎l o r e n t zf o r c ee x c i t a t i o na n dt u r b u l e n c eo v e rs p a n w i s eo s c i l l a t i n gw a v yw a l li 份h a v e f o u n dt h a tv a r i o u sf o r c e da c t i o n s s u c ha st h eo s c i l l a t i n gp r e s s u r eg r a d i e n t t h ed y n a m i c c o u p l i n ge f f e c to fb u o y a n c ya n ds h e a rf o r c e t h et r a n s v e r s et r a v e l i n gw a v ee x c i t a t i o n a n d t h ew a v yw a l lo s c i l l a t i o n t h e r ee x i s ts i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so nt h es t a t i s t i c a lq u a n t i t i e so f v e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft u r b u l e n tf l o wa n dh e a tt r a n s f e r t h e r e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r eg i v e na sf o l l o w s i no s c i l l a t i n gt u r b u l e n tc h a n n e lf l o w s d i f f e r e n tt u r b u l e n tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h e a c c e l e r a t i n ga n dd e c e l e r a t i n gp h a s e so c c u r t u r b u l e n c ei nt h ea c c e l e r a t i n gp h a s e si ss u p p r e s s e d h i g h s p e e da n dl o w s p e e ds t r e a k sd e v e l o pa n db u r s ti n t oa l o c a l i z e dt u r b u l e n t s p o t t h et u r b u l e n ts t a t i s t i c a lq u a n t i t i e sv a r yc o r r e s p o n d i n g l y a td i f f e r e n tf r e q u e n c i e s t h eo s c i l l a t i n gp r e s s u r eg r a d i e n ts h o w sd i f f e r e n te f f e c to nt h ef l o w a tl o wf r e q u e n c y t h ed i f f e r e n e eo fv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r eq u a n t i t i e sf o rd i f f e r e n tp h a s e si so b v i o u sw h i l e s m a l ld i f i e r e n c ei si d e n t i f i e dw i t hr e s p e c tt ot h es t a t i s t i c a l l ys t e a d yc a s ea th i g hd r i v i n g f r e q u e n c y i nt h em e a na n dp h a s e a v e r a g e dt e m p e r a t u r ep r o f i l e s t h e r ee x i s t s ab u f f e r l a y e rf o l l o w e db ya 1 0 9 a r i t h m i cr e g i o n t h ev o nk a r m a nc o n s t a n tf o rt h et e m p e r a t u r e p r o f i l e si sa l m o s ti n d e p e n d e n to ft h ep r a n d t ln u m b e ra n dt h ep h a s e t h em e a na n d d h a s e a v e r a g e dt u r b u l e n l jh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sb e h a v el i k ep i 1 3o rp r o 一 a th i g h p r a n d t ln u m b e r t h eh e a tt r a n s f e ri sm a i n l yc o n t r o l l e db ys m a l l s c a l et u r b u l e n ts t r u c t u r e s v e r yc l o s et ot h ew a l l f o rs t a b l ys t r a t i f i e dt u r b u l e n to p e nc h a n n e lf l o w s i ti sf o u n dt h a tu n d e rs t a b l ys t r a t i f i c a t i o n t h et e n d e n c yo fr e l a m i n a r i z a t i o na p p e a r sw i t h i nt h et u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e r a td i f f e r e n tp r a n d t ln u m b e r s t h ee f f e c to fs t r a t i f i c a t i o ni sd i f f e r e n t t h es t r a t i f i c a t i o n e f f e c th a ss m a l li n f l u e n c eo i lt h et u r b u l e n ts t a t i s t i c si nw e a k l ys t r a t i f i e dh i g h p r a n d t l n u m b e rt u r b u l e n tf l o w t h ee f f e c to fd e c r e a s e dp r a n d t ln u m b e ri st oe n h a n c et h er e l a m i n a r i z i n ge f f e c to fs t a b l es t r a t i f i c a t i o n o w i n gt ot h a tt h ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ef i e l d s a r ec o u p l e da n da f f e c t e dw i t he a c ho t h e r t h ev o nk a r m a nc o n s t a n tf o rt h et e m p e r a t u r e d r o f i l e sv a r i e sw i t ht h er i c h a r d s o nn u m b e rb u ti n d e p e n d e n to ft h ep r a n d t ln u m b e r i ti s d r e d i e t e dt h a tt h ed i f f u s i v es u b l a y e rt h i c k n e s sb e h a v e sl i k ep r 一1 3o rp r o 3r e l a t i o nn e a r t h ew a i ia n dl i k ep r 一1 2n e a rt h ef r e es u r f a c e t h en u s s e l tn u m b e ra tt h ef l e es u r f a c e i n 英文摘要 i sw e l tc o n s i s t e n tw i t ht h el a wp r l 2 t h ee f f e c to ft h ep r a n d t la n dr i c h a r d s o nn u m b e r c h a n g et h et o p o l o g yo ft u r b u l e n ts t r u c t u r e s t h e s ea l t e r a t i o n sf u r t h e ra f f e c tt h ef r e q u e n c y o fs u r f a c er e n e w a lm o t i o n sa n dt h ep r o c e s so fh e a ta n dm a s st r a n s f e ra tt h ef r e es u r f a c e i nt u r b u l e n tf l o w sw i t hh e a tt r a n s f e rc o n t r o l l e db yat r a n s v e r s et r a v e l i n gw a v el o r e n t z f o r c ee x c i t a t i o n t h et r a n s v e r s et r a v e l i n gw a w el o r e n t zf o f e ei n t r o d u c e ss p a n w i s em o t i o n a n de x t e r n a ls t r e a m w i s ev o r t i c i t y a st h ed r i v i n gf r e q u e n c yd e c r e a s e s t h es p a n w i s em o t i o ni si n t e n s i f i e d a th i g hf r e q u e n c y t h ew e a k e n i n go ft h es t r e a ki n t e n s i t yl e a d st oa s m a l la m o u n to fs h e a rs t r e s sr e d u c t i o n a ta na p p r o p r i a t ef r e q u e n c y aw i d er i b b o no f 1 0 w s p e e dv e l o c i t yi sf o r m e di n s t e a do fw a l ls t r e 8 k s t h eb a s i cs t r u c t u r eo fs t r e a k si s s t a b l ea n dt h eb i g g e s td r a gr e d u c t i o no fa b o u t3 0 i sa c h i e v e d a tl o w e rf r e q u e n c y t h e s t r e a m w i s ev e l o c i t yf l u c t u a t i o na n dv o r t i c i t yf l u c t u a t i o ni n c r e a s eo b v i o u s l yd u et ot h e s p a n w i s em o t i o n w h i c hu l t i m a t e l yr e s u l t si nd r a gi n c r e a s e a l lt h e s es h i f t sm a k et h e s t r u c t u r e so ft e m p e r a t u r ef i e l d t e m p e r a t u r es t a t i s t i c a lq u a n t i t i e sa n dh e a tt r a n s f e re f f i e i e n c yc h a n g ec o r r e s p o n d i n g l y t h ef o r m a t i o no fc o l da n dh o ts p o ta tt h ef r e es u r f a c ei s f u r t h e ri n f l u e n c e dd u et os n r f a c er e n e w a le v e n t sa tl o w p r a n d t ln u m b e r i nt u r b u l e n tf l o w so v e rs p a n w i s eo s c i l l a t i n gw a yw a l l t h es p a n w i s eo s c i l l a t i o no f w a v yw a l lc a nb li n ge v i d e n te f f e c to fd r a gr e d u e t i o n t h es k i nf r i c t i o nd e p e n d so nt h e f r e q u e n c yo fo s c i l l a t i o na n dt h ea m p l i t u d eo ft h ew a v yw a l l a t 龇1o s c i l l a t i n gp e r i o d 丁 1 0 0 t h ef r i c t i o nd e c r e a s e sb e c a u s eo ft h ei n t r o d u c t i o no fs p a n w i s ev o r t i c i t ya n d t h es i m u l t a n e o u sw e a k e n i n go fs t r e a m w i s ev o r t i c e sa n di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ea m p l i t u d e a tt 2 0 0 a st h ea m p l i t u d eo fw a yw a l li n c r e a s e s t h es p a n w i s c m o t i o no ft h ew a l le x t r a c t sm o r ee n e r g yf r o ms t r e a m w i s ef i o wa n dd i s t r i b u t e st os p a n w i s e d i r e c t i o n w h i c hb r i n g st h ee n h a n c e m e n to ft h es p a n w i s em o t i o na n dt h ed r a gr e d u c t i o n a st h ea m p l i t u d ei n c r e a s e sf u r t h e r t h ee n h a n c e m e n to ft h es p a n w i s em o t i o nl e a d st ot h e i n c r e a s eo fs t r e a m w i s ev o r t i c e sa n dr e s u l t si nd r a gi n c r e a s et h cr e s u l t sa l s os h o wt h a t t h ef l o ws t r u c t u r e sn e a rt h ew a l la r ec l o s e l yc o r r e l a t e dw i t ht h es h a p eo ft h ew a l l k e y w o r d s d i r e c tn u m e r i c a ls i m u i a i o n d n s l a r g ee d d ys i m u l a t i o n l e s t u r b u l e n c ec o n t r o lt u r b u l e n th e a tt r a n s f e r s t a b l ys t r a t i f i e dt u r b u l e n tf l o w 插图目录 插图目录 2 1 计算网格示意图 1 4 2 2 平板槽道外形及坐标系统示意图 1 8 2 3 流向平均速度沿法向壁面坐标的分布及与k i m m o i n 7 3 和e c k e l m a n n f 8 8 1 结果的比较 1 9 2 4 流向 展向 法向湍流强度在槽道中的分布与k i m m o i n 7 3 和e c k e l m a n nf 8 8 结果的比较 a 整体坐标 b 近壁面局部坐标 2 0 2 5 近壁区雷诺应力的分布及与k i m m o i n 7 3 1 的数值结果和e c k e l m a n n 8 8 1 实验结果的比较 2 0 3 l 槽道湍流外形示意图 2 4 3 2 u p 3 5 中频振荡压力下时间平均速度统计鐾与s c o t t i p i o m e l t if 9 1 9l e s 以及t a r d ue ta 1 1 0 7 1 实验结果的比较 a 流向平均速度 b 流向平均 湍流强度 2 8 3 3 中频时相位平均的速度统计量分布在一个周期内的变化 a 流向速 度 b 流向湍流强度 c 展向湍流强度 d 法向湍流强度 2 9 3 4 中频振荡压力下 a 不同p r a n d t 数下时间平均温度分布 b p r 1 时 相位平均温度分布在一个周期内的变化 3 0 3 5 中频时湍流传热系数随p r a n d t l 数的变化 a 时间平均的湍流传热系 数 f b 相位平均的湍流传热系数 3 l 3 6 中频时温度脉动分布 a 1 不同p r a n d t l 数下时间平均的温度脉 动 b p r l 时相位平均温度脉动分布在一个周期内的变化 3 2 3 7 中频时不同p r a n d t l 数下时间平均湍流热通量的分布 a 流向湍流热通 量 b 法向湍流热通量 3 3 3 8 中频p r 1 时丰h 位平均湍流热通量分布在一个周期内的变化 a 流向 湍流热通量 b 法向湍流热通量 3 3 3 9 中频p r 1 时 近壁面 矿 8 流向一展向 z y 平面内 a 0 t p 2 瞬时流向速度脉动 b 如 2 瞬时流向速度脉动 c 毗p 2 瞬时温度脉 动 d t p 2 瞬时温度脉动 3 4 3 1 0 中频时壁面附近 g 2 平面内不同p r a n d t l 数下 p 2 瞬时温度脉动 等值线图 a 尸r 1 b p r 1 0 c jp r 1 0 0 3 5 3 1 1 相位平均流向速度分布在一个周期内的变化 a 低频o p o 5 6 b 高 频u p 1 4 3 6 3 1 2 低频u p 0 5 6 时 相位平均统计量在一个周期内的变化 a 平均温 度 b 温度脉动 c 流向湍流热通量 d 法向湍流热通量 3 6 3 1 3 高频u p 1 4 时 相位平均统计量在一个周期内的变化 a 平均温 度 b 温度脉动 c 流向湍流热通量 d 法向湍流热通量 3 7 3 1 4 速度统计量与实验 22 和d n s 2 7 结果的比较 a 流向平均速度分 布 b 1 流向 展向 法向湍流强度分布 3 9 3 1 5 湍动能能量生成与耗散项与实验 2 2 和d n s 2 7 结果的比较 3 9 插图目录 3 1 6 两种计算条件下被动传热槽道湍流中p r 1 和p r 1 0 的平均温度分布 与n ae t 硝 f 1 0 1 1d n s 结果的比较 4 0 3 1 7p r 1 0 0 r e 1 0 4 被动传热槽道湍流中的平均温度分布与n a g a n o s h i m a d a 1 2 6 1 结果的比较 4 1 3 1 8 不同硒c h a r d s o n 数下 a 聊 1 时的流向平均速度分布 b p r 1 0 0 时 的流向平均速度分布 c p r 1 时的法向湍流强度分布 用u b 无量纲 化 d p r 1 0 0 时的法向湍流强度分布 用奶无量纲化 4 2 3 1 9p r 1 时速度及温度分布对数律区常数随r i c h a r d s o n 数的变化 a v o n k a r m a n 常数k 和硒 b 附加常数b 和b t 4 3 3 2 0r i 2 0 时不同p r a n d t l 数下速度统计量的分布 a 流向平均速度 b 流向湍流强度 用蛳无量纲化 c 展向湍流强度 用协无量纲 化 d 法向湍流强度 用u b 无量纲化 3 2 1 不同r i c h a r d s o n 数下摩擦温度无量纲的温度统计量的分布 a p r 1 的平均温度 b p r 1 0 0 的平均温度 c p r 1 的温度脉动 d p r 1 0 0 的温度脉动 4 5 3 2 2 威 2 0 时不同p r a n d t l 数下平均温度分布 a 物理坐标下 b 壁面坐 标下 4 6 3 2 3 不同p r a n d t l 数和r i c h a r d s o n 数f 温度脉动沿法向的分布 a 近壁 处 b 近自由面处 4 7 3 2 4n u s s e l t 数随p r a n d t l 数的变化与k o m o r ie ta 1 1 2 5 1r a s h i d ie ta 1 1 7 1 结 果的比较 4 8 3 2 5 不同r i c h a r d s o n 数下平均法向湍流热通量的分布 a p r 1 壁面附 近 b p r i 0 0 壁面附近 c p r 1 自由面附近 d p r 1 0 0 自由面附近 4 9 3 2 6 磁 2 0 时不同p r a n d t l 数下湍流热通量分布 a 流向热通量 壁面附 近 b 法向热通龟 壁面附近 c 流向热通量 自由面附近 d 法向 热通量 自由面附近 5 0 3 2 7r i 2 0 时下壁面附近 y z 平面内瞬时温度脉动 左侧 和法向 速度脉动 右侧 等值线圈 a p 中 0 1 b p r 1 c p r 1 0 f d p r 1 0 0 5 1 3 2 8r i 2 0 时自由面附近 y 2 平面内瞬时温度脉动 左侧 和法向 速度脉动 右侧 等值线图 a p r o 1 b p r 1 c p r 1 0 f d p r 1 0 0 5 2 3 2 9 威 2 0 时固壁附近 o 吉 0 3 5 左侧 和自由面附近 z 毒 0 3 5 右 侧 水平平面内温度脉动等值线图 a p r o 1 b p r 1 c p r 1 0 d p r 1 0 0 5 3 4 1 2 1 一2 5 5 0 和1 0 0 时摩阻随时间的变化曲线 1 3 6 a 3 耐 8 4 0 1 6 4 2t 5 0 时 a 受到l o r e n t z 力控制和没有受到控制的流向平均速度分布 的比较 b 个方向湍流强度分布与d ue ta l 5 6 的结果的比较 6 1 4 3 t 5 0 时 z 暑 水平平面内瞬时流向脉动速度等值线图 a 上壁面 附近 o 5 b 下壁面附近 o 5 6 2 垂4t 十 5 0 时瞬时流向速度等值线图 a 上壁面附近 f z 平面 内 b 下壁面附近 可 2 吉 平面内 6 2 插图目录 4 5 丁 5 0 时下壁面附近z 5 管 水平平面内瞬时物理量等值线 图 a 流向脉动速度 b 流向脉动涡量 c 脉动压力 d 展向脉动速 度 6 3 4 6r 5 0 时瞬时法向涡量等值线 a 上壁面附近 曼 z 平面 内 b 下壁面附近 9 z 平面内 6 4 4 7 不同频率l o r e n t z 力控制与没有受到控制的流向平均速度分布的比较 6 5 4 8 不同频率下湍流强度沿法向坐标的分布 a 流向湍流强度 b 展向湍流 强度 6 6 4 9 不同频率下脉动涡量强度沿法向坐标的分布 a 流向脉动涡鼍 b 展向 脉动涡量 6 6 4 1 控制壁附近 占 z 平面内不同频率下瞬时法向涡量等值线 a 丁 2 5 b t 5 0 c t 1 0 0 6 7 4 1 1 z 水平平面内瞬时流向脉动速度等值线图 a 上壁面附近 z 5 b t 2 5 下壁面附近 o 5 c r 5 0 下壁面附近 z 5 d 1 0 0 下壁面附近 o 5 6 8 4 1 2t 5 0 左侧 和t 1 0 0 右侧 时下壁面附近z 5 z y 水平平面内瞬时物理量等值线图 a 流向脉动速度 b 流向脉动涡 量 c 脉动压力 d 展向脉动速度 6 9 4 1 3 不同频率下平均温度沿法向坐标的分布 a p r l b p r 1 0 0 7 0 4 1 4p r 1 时不同频率下温度脉动的分布 a 固壁附近 b 闩由而附近 7 0 4 1 5 固蹙附近归一化的温度脉动沿法向坐标的分布 7 1 4 1 6p r 1 时不同频率下湍流热通量的分布 f a 流向热通量 壁面附 近 b 展向热通量 壁面附近 c 流向热通量 自由面附近 d 展 向热通晕 自由面附近 7 2 4 1 7 不同频率下n u s s e t 数随p r a n d t l 数的变化 a 同壁附近 b 自由面附 近 7 3 4 1 8 固擘附近 z 5 p r 1 左侧 和p r 1 0 0 右侧 时水平平面内 温度脉动等值线图 a 丁 2 5 b t 5 0 f t 1 0 0 7 4 4 1 9 自由面附近 z 言 5 p r 1 左侧 和p r 1 0 右侧 时水平 f 面 内温度脉动等值线图 a t 2 5 b i 5 0 e t 1 0 0 7 4 4 2 0 固壁附近展向一法向 y z 平面内p r 1 左侧 和p r 1 0 0 右 侧 时温度脉动等值线图 a 丁 2 5 b r 5 0 c 丁 1 0 0 7 5 5 1 展向振荡波形壁外形示意图 7 9 5 2 直接数值模拟中使用多重网格法与f f t 的计算结果以及k i m m o i n 7 3 的d n s 和e c k e l m a n n 8 8 1 实验结果的比较 a 流向平均速度分布 b 湍 流强度分布 8 3 5 3 直接数值模拟中使用多重网格法与f f t 的计算结果以及k i m m o i n f 7 3 1 的d n s 结果的比较 r e y n o l d s 应力在槽道中的分布 8 4 5 4 大涡模拟中使用多重网格法与f f t 的计算结果以及h a n d l e re ta 1 2 7 的 d n s 和k o m o r ie ta 1 2 2 实验结果的比较 a 流向平均速度分布 b 端 流强度分布 8 4 5 5 大涡模拟中使用多重网格法与f f t 的计算结果的比较 压力一应变率相 关项在槽道中的分布 8 5 i c 一 插图目录 5 6 不同频率下摩阻随矿的变化 8 6 5 7 不同波幅下摩阻随时间的演化 a t 1 0 0 b t 2 0 0 8 6 5 8 不同波幅下流向平均速度的分布 a t 1 0 0 b t 2 0 0 8 7 5 97 1 0 0 时不同波幅下湍流强度的分布 a 流向湍流强度 b 法向湍 流强度 c 展向湍流强度 8 8 5 1 07 2 0 0 时不同波幅下湍流强度的分布 a 流向湍流强度 b 法向湍 流强度 c 展向湍流强度 8 9 5 1 1 不同波幅下r e y n o l d s 应力的分布 a p 1 0 0 b t 2 0 0 9 0 5 1 22 1 0 0 时不同波幅下脉动涡量强度的分布 a 流向湍流强度脉动涡 量强度 b 法向脉动涡量强度 c 展向脉动涡量强度 9 l 5 1 37 2 0 0 时不同波幅下脉动涡量强度的分布 a 流向脉动涡量强 度 b 法向脉动涡量强度 c 展向脉动涡量强度 9 3 5 1 4r 2 0 0 时近壁面流向一展向平面内流向脉动速度 左侧 和展向脉速 度 右侧 等值线图 a a 0 b a 0 2 5 c a 一1 9 4 5 1 5t 2 0 0 时近壁面流向一展向平面内流向脉动涡量等值线图 a 0 b a o 2 5 c a 1 9 5 5 1 6r 2 0 0 时 矿 平面内法向脉动速度等值线图 a 0 b a o 2 5 c a 1 9 6 5 1 7p 2 0 0 时 可 矿 平面内流向脉动涡量等值线图 a 矿 0 b a 0 2 5 c a 1 9 7 5 1 8 流向湍动能 输运方程各项分布曲线 a 口 o b a 0 2 5 c a 1 9 8 5 1 9 展向湍动能 输运方程各项分布曲线 a a o b a 0 2 5 c a 1 1 0 0 5 2 0 法向湍动能 输运方程各项分布曲线 a a o b a 0 2 5 c a 1 1 0 1 a 1 1 误差分量的放大系数 1 1 1 表格目录 表格目录 2 1 湍流平均统计量的参数 饥为体积平均流速 r e t 为体积平均流速定义 的r e y n o l d s 数 u 为中心线速度 留为表面摩擦系数 1 9 5 1 波形壁不同波幅和振荡频率下的摩阻 8 5 一x l 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文 是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果 除已特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果 与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权 即 学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 可以将学位论文编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 作者签名 2 羽年 王属 只6h 第一章绪论 1 1 湍流研究概述 第一章绪论 自然界中广泛地存在着两种不同的流动形态 层流和湍流 较之层流 湍流是 更为常见的流动现象 从血液流动 到大气运动 海洋洋流 乃至茫茫宇宙 湍流 无处不在 在工程技术中 湍流更是无法回避的问题 常见的有 火箭尾流 燃烧 反应 各种流体机械中的流动等 因此 湍流研究的重要学术意义和工程应用价值 是不言而喻的 对湍流问题的正确认识和模化直接影响到对自然环境的预测和工程 的质量 另一方面 由于湍流是一种在随机运动的背景场中又具有极其复杂的相干 结构的流动 这就使得湍流的数学分析和实验观测都卜分困难 它涉及到从微观到 宏观不同时空尺度上的运动 不仅和周围环境进行着能量交换 其内部也存在着各 式各样的能量交换 其复杂性使得湍流问题被称为 经典物理学最后的疑团 为 此 人们对湍流的研究历经百年之久而不衰 湍流已经成为流体力学基础理论和工 程应用中一个十分重要却又棘手的阊题 研究湍流的手段主要有理论分析 数值计算和实验观测 后二者具有重要的l 程实用意义 1 8 9 5 年 r e y n o l d s 导出了湍流平均流场的基本方程一r e y n o l d s 方程 奠定了湍流的理论基础 在此基础上 发展了一系列的半经验理论和各种湍流模 式理论 其中应用最广泛的是 p r a n d t l 1 1 的混合长理论 t a y l o r 2 的涡量转移 理论和v o l lk 新m 西mf 3 的相似性理论 我国著名学者周培源 4 提出的剪切湍流的 应力模式理论则被认为是以二阶封闭模式为主的现代湍流模式理论最早的奠基性 工作 2 0 1 f l 纪3 0 年代以后 湍流统计理论 特别是理想的均匀各向同性湍流理论获 得了长足的进展 概率论方法被引进这个领域 从6 0 年代以来 应用数学家采用泛 函 拓扑和群论等数学工具 分别从统计力学和量子场论等不同角度 探索了湍流 理论的新途径 自7 0 年代以后 由于湍流相干结构 又称拟序结构 概念的确立 专家们试图建立确定性湍流理论 关于阐述湍流是如何由层流演变而来的非线性理 论 例如分岔理论 浑沌理论和奇怪吸引子理论等 也有了重要进展 尽管人们对 湍流的发生机理和运动规律的了解越来越深入 但对其物理本质的认识还远未完 成 目前还没有普适的湍流模型可以预测所有复杂的湍流问题 近三十年来 大型 一1 12 研究背景和意义 计算机和计算流体力学的飞速发展 为湍流的数值模拟开辟了广阔前景 目前 基 于传统r e y n o l d s 平均 r e y n o l d s a v e r a g e dn a v i e r s t o k e s 简称h a n s 的湍流数值 模拟 以及湍流的大涡模拟 l a r g ee d d ys i m u l a t i o n 简称l e s 和直接数值模拟 d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 简称d n s 都是近代流体力学研究关注的热点问 题 尤其是l e s 和d n s 已成为湍流研究的前沿领域 基于数值模拟所建立的湍 流数据库已成为人们研究湍流机理以及湍流模式理论所依赖的湍流 信息 工具和源 泉 面向新世纪 预测工程实际中的复杂湍流成为湍流研究中的重要目标之一 研 究 预测进而控制湍流也是认识自然现象 发展现代技术的重要课题之一 本文研 究的主要内容就是各种复杂条件下的湍流的数值模拟以及湍流控制和传热特性的研 究 主要包括以下几个方面 i 外力驱动下的热剪切湍流问题 包括两个方面 振荡压力梯度驱动下的被动传 热槽道湍流和带有自由面的稳定分层的槽道湍流 f 2 近壁展向行波l o r e n t z 力对壁面湍流的控制及湍流传熟的影响 3 展向振荡波形壁湍流流动及其减阻效应 1 2 研究背景和意义 1 2 l 外力驱动下的热剪切湍流 不同外力驱动条件下的湍流相比于纯剪切湍流而言 在自然界中更为常见 同 时 通过考察和分析不同的复杂条件 如振荡的压力梯度 热分层等 对湍流统计 量和流场结构的影响 也有助于加深对湍流发生 发展机理的理解 因而 这一问 题的研究既具有探讨湍流机理的学术价值 也是解决实际工程应用中的复杂湍流的 一种尝试 成为湍流研究的新热点 另一方面 热湍流一直是湍流研究的重要课题之一 热湍流和剪切湍流往往共 存并互桐影响 通过湍流输运和热量输运来实现其中动量和能量的交换以及物质的 掺混 熟湍流问题不仅是流体力学的基础研究课题 也是地球物理学 气象学 环 境科学和海洋科学的重要研究课题 它与天气预报 气候预测等有着非常密切的关 系 所以这类湍流问题的研究对于工业 农业 国防建设和环境保护等具有十分重 要的现实意义 一2 第一章绪论 本文分别以振荡的压力梯度驱动下被动传热的槽道湍流和带有自由面的稳定热 分层的剪切湍流作为典型问题 采用大涡模拟方法研究外力驱动下的热湍流问题 不稳定的驱动力是许多湍流流动中都会出现的特征 如动脉中的血液流动 鱼 游周围的流体流动 燃烧发动机的入口流动以及一些热交换机中的流动等 不稳定 边界层的特征在一些物理问题的研究中十分关键 如研究海洋流动和血液循环中沉 积物的传递 正如s a r p k a y a 5 所指出的 通过对稳定和不稳定的湍流边界层的共同 特征的分析 有助于我们更好地理解湍流边界层的内在物理机制 不稳定的驱动条 件可以是周期的或者非剧期的 例如突然地加速或者减速 振荡的压力梯度驱动 下的湍流问题正是对周期性变化的边界层问题的模拟 s p a l a r t b a l d w i n 6 用d n s 研究了纯振荡湍流边界层及转捩问题 陆夕云等人1 7 用l e s 研究了绕圆柱的振荡 湍流问题 h s ue ta 1 f 8 1 第一次用l e s 对平板上的振荡湍流流动进行了研究 并且 验证了采用动力学亚格子尺度 s u b g r i ds c a l e 即s g s 模型的l e s 方法研究这类 不稳定问题的有效性 s c o t t i p i o m c t l if 9 9 开展了振荡压力梯度下的槽道湍流的l e s 研究 并再次证明了l e s 方法可以合理地顶测不稳定的湍流行为 气一液交界面处的湍流传热传质过程是诸如化学工程 地球物理 气象环境流 动 海洋动力学等诸多学科中都感兴趣的问题 涉及到如污染物的传播 交界