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《天津大学》 2009年
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剪切修正的亚格子模型及其在湍流研究中的应用

肖红林  
【摘要】: 建立合理的亚格子模型是大涡模拟的关键问题,本文提出了一种剪切修正的亚格子模型,并对该模型进行了壁面无吹吸和有吹吸两种情况的验证。结果表明本文提出的模型既可以模拟壁面无吹吸的湍流流场,也可以模拟壁面有吹吸的非平衡湍流场。 在此基础上,采用剪切修正亚格子模型的大涡模拟(LES)的方法,模拟了不同雷诺数下的槽道湍流,研究了近壁湍流的统计性质,进而在壁面加入吹吸,研究了空间周期的湍流场中雷诺应力和速度变形率之间的相位关系。 关于近壁湍流统计特性的结论如下: (1)在给定压差的条件下,随雷诺数的变大,湍流平均速度剖面越来越低、其形状越来越饱满,速度剖面的对数区越来越长;随雷诺数的增大,平均流剖面近似符合对数律或指数律的程度越来越好。 (2)不同雷诺数的雷诺应力、脉动动能和脉动速度均方根在某种程度上具有相似性。在壁面坐标下,靠近壁面处曲线趋于重合;在槽宽坐标下,槽道中心处曲线趋于重合,脉动动能和脉动速度均方根在槽道中心趋于一个定值。 (3)给出了雷诺应力、脉动动能等量的峰值及其峰值位置与雷诺数之间的关系式。利用分段函数及完整函数形式,根据较低雷诺数的分布,以参数化的形式给出的不同雷诺数下的雷诺应力和脉动动能的分布。只要知道较低雷诺数的雷诺应力或脉动动能分布,就可以根据参数,由给出的关系式得到较高雷诺数的雷诺应力或脉动动能分布。 关于雷诺应力与速度变形率之间相位关系的结论如下: (4)雷诺应力与速度变形率之间存在相位差,在构建模式理论时,应将二者的相位差考虑到涡粘系数中。 (5)雷诺应力与速度变形率相位差的变化分为四个区:壁面控制区,相位差的变化呈快速增大趋势;壁面主控区,相位差增大趋势变缓慢,相位差达到最大值;外流主控区,外流的作用明显加强,相位差开始缓慢下降;外流控制区,相位差变化相对平缓。 (6)随吹吸波数的增大,壁面控制区的宽度不变,壁面主控区和外流主控区的宽度变窄,外流控制区的宽度大大变宽。 (7)在所研究的雷诺数范围内,在不同雷诺数下雷诺应力与速度变形率相位差,沿槽道法向的变化表现出相似的规律;雷诺应力与速度变形率的相位差随雷诺数的变化趋势明显,随着雷诺数的增加,在槽宽坐标下曲线向壁面方向移动,而在壁面坐标下相位差在壁面附近不再随雷诺数的变化而移动;随着雷诺数的增加,相位差峰值附近的区域在变大。 (8)在小幅值吹吸范围内,雷诺应力与速度变形率相位差的变化是有规律的;当壁面吹吸的幅值大过某个阈值,扰动的非线性开始起作用,雷诺应力与速度变形率的相位就将产生不同的反应,二者的相位差也将发生变化。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O357.5

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