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存在半球粗糙元的发展平板边界层流动中的颗粒输运的直接数值模拟研究

周哲  
【摘要】:为了考察由无尖锐边缘三维粗糙元诱导的边界层转捩机理,本文采用基于有限差分的直接数值模拟方法模拟了两种Reynolds数条件下,由置于光滑平板上的单个半球粗糙元诱导的边界层转捩过程。为了讨论重颗粒对边界层流动中的涡再生过程的影响,以及控制颗粒沉降和局部聚集的机理,本文同时使用直接数值模拟方法和Lagrange颗粒跟踪方法模拟了密度为流体密度的2000倍的重颗粒在旁通转捩平板边界层流动中及在半球粗糙元影响下的中等Reynolds数发展湍流平板边界层流动中的输运过程。一种多重直接力-内嵌边界方法被用于计算半球粗糙元表面对流场的作用。二维层流边界层的直接数值模拟结果为三维转捩边界层流动模拟提供了合理的入口速度边界条件。颗粒计算中考虑了对颗粒在壁面附近的沉降影响较大的滑移-剪切升力和滑移-旋转升力。颗粒与固体壁面的碰撞使用硬球模型计算。 两种粗糙Reynolds数Rek=332和550(对应的特征Reynolds数为Re=819和1157)条件下,转捩边界层直接数值模拟得到的粗糙元下游的发夹涡脱落频率,以及三个不同流向位置的流向平均速度曲线和流向速度脉动曲线与Klebanoff等人(1992)的实验结果吻合的很好。在Rek=332条件下,模拟结果显示了发夹涡在粗糙元下游的演化过程,并证实在该流动条件下,由半球粗糙元产生的扰动在下游流场中确实经历了一个瞬态增长过程。Rek=550的模拟结果显示了流向涡和发夹涡的再生过程以及涡包的形成和增长。 在由半球粗糙元诱导的旁通转捩平板边界层流动(Rek=550)中,在不同质量载荷条件下,不同惯性的颗粒都明显地影响了原始发夹涡和次级涡结构在转捩边界层流动中的产生和发展过程。响应特性好的小惯性颗粒跟随流体运动到半球粗糙元下游的低压区的上边缘,妨碍了外层流体向低压区内的螺旋运动,因而这类颗粒能比惯性较大的颗粒更有效地阻止低压区内的涡量集中过程,从而阻止了发夹涡的产生。随着惯性的增加,颗粒出现在低压区内的几率增大。大惯性颗粒对发夹涡产生的影响更多的体现在其提高了低压区内的压力。在跟随流体运动的过程中,通过动量不断地由流体传递给颗粒,惯性较小的颗粒同时削弱了边界层内的原始发夹涡和各种次级涡结构的强度。随着惯性的增加,颗粒的“低通过滤(low-pass filter)"特性逐渐明显。大惯性颗粒对转捩边界层流动中的涡再生过程的影响主要通过削弱原始发夹涡所产生的扫过(sweep)和喷出(ejection)事件的强度来体现。不同惯性的颗粒都趋向于聚集在应力较集中的区域,而在涡量较大的区域出现的几率较小。相对而言,小惯性颗粒的局部聚集现象比大惯性颗粒的明显,大惯性颗粒的在边界层内的法向分布主要由其惯性决定。通过考察不同质量载荷条件下的不同惯性颗粒的存在对平板所受到的摩擦阻力的影响发现紧邻壁面附近的区域出现的涡结构对壁面摩擦阻力的影响是决定性的。同时,颗粒对壁面摩擦阻力的影响在局部区域较大,值得关注。 中等Reynolds数(Re=5561)发展湍流边界层流动的直接数值模拟结果表明足够高的半球粗糙元是平板边界层流动发展成充分发展湍流状态的重要影响因素之一 对由半球粗糙元诱导的发展边界层流动中的涡再生过程的研究增强了对边界层内的湍流自维持机理的理解。不同惯性的重颗粒对边界层流动中的涡再生过程的影响表明可以将固体颗粒作为一种“聪明的粗糙度(smart roughness)",以实现湍流控制的目的。如何将三维粗糙元作为控制颗粒在壁面附近的分布的有效手段值得进一步的研究。


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