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粗糙元对边界层影响的数值模拟研究

戴瑞  
【摘要】:边界层流动在日常生活和工业应用中都起着重要的作用,本文采用直接数值模拟的方式,对于空气流经壁面粗糙元的边界层现象进行了研究,与前人的实验数据对比,探究不同工况下层流与湍流边界层演化发展的规律。 首先,本文对边界层流动研究的历史、边界层内粗糙元研究的工作、直接数值模拟的发展等背景知识做了系统的回顾,提出了研究半球形粗糙元这种形式的粗糙元对边界层的影响的目的和意义。 然后,详细介绍了本文进行数值模拟采用的模型和计算方法。对于空间演化和时间推进的数学方程,计算流体与粗糙元之间作用采用的内嵌边界方法的原理和使用,入口和出口边界条件的设置等进行了简要的介绍说明。同时采用计算空腔流动,与前人的经典实验对比的方式,对当前的程序计算能力进行了验证,证明了直接数值模拟的可行性。 最后,对于加入两个半球粗糙元的高Re数湍流边界层进行了模拟研究,给予了直观的视图描述,并通过对速度场、压力场、雷诺应力等数据的分析,特别是对两个粗糙元附近的不同流向位置的物理量的变化进行了深入讨论,探究了该粗糙元形式下的流场演化规律。为将来进一步研究加入粗糙元、多相流动、传热等复杂边界层的现象研究工作奠定了良好的基础。


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