湍流边界层的直接数值模拟研究

【摘要】：众所周知,湍流边界层流动现象广泛存在于动力、化工、能源等工程领域,其中看似无序的运动中,其实包含着许多不同尺度的拟序结构。迄今为止,对于这些结构的定义、产生机理、识别检测以及各尺度之间的强非线性相互作用机理等基础问题,仍未被人们所深入认知。近几年来,随着实验设备的改进和计算机水平的不断提高,人们对于拟序结构的产生机理及其相互作用关系的研究非常活跃。 本文主要发展了一套中高雷诺数下的通用高精度大规模并行直接数值模拟方法。通过对简单流动以及具有精确解问题的求解验证,证明本文发展的算法的精确性以及可靠性。 同时,本文对三维槽道内等温和非等温湍流槽道等复杂流动进行了研究,验证了本文计算方法在预测湍流复杂流动的准确性。同时,对槽道内部大尺度涡结构、条纹结构,以及Q2和Q4事件等现象的产生和发展进行了详细的分析和讨论,并比较了等温和非等温情况下槽道流动的不同特征。 最后,对空间发展的等温和非等温平板边界层由层流感受扰动、转捩至充分发展湍流的全过程进行了直接数值模拟研究。对湍流边界层统计量进行了详细研究,对不同法向高度的边界层条纹大尺度结构特征以及Q2和Q4事件的产生和发展进行了深入的研究。 本文的模拟结果有助于人们加深对湍流边界层内部拟序结构发展和产生机理的认识和理解,这为以后进一步研究两相湍流边界层气固特性,以及湍流边界层内部界面效应的影响提供了理论基础和重要的参考价值。