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《中国科学技术大学》 2007年
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可压缩剪切湍流的直接模拟和大涡模拟研究

孙小波  
【摘要】: 可压缩湍流是流体力学中研究的重要问题之一。随着计算科学和计算机技术的迅猛发展,数值模拟成为研究可压缩湍流的一个重要手段。本文采用有限差分法数值求解了可压缩Navier-Stokes方程,对于几类典型的可压缩剪切湍流问题进行了直接数值模拟和大涡模拟研究。本文发展了一类无需密度加权平均的可压缩湍流大涡模拟方法;开展了可压缩波形壁湍流的大涡模拟和可压缩混合层流动的直接数值模拟。主要工作和研究成果如下: (1)提出了无需密度加权求解可压缩湍流的新型的大涡模拟方法。本文的方法克服了滤波变量和Favre平均变量的不自恰性,提出了一类更合理的大涡模拟方法。针对出现在连续方程、动量方程和能量方程中的亚格子项,合理地建立了相关的亚格子模型,模型系数采用动力学方法求解获得。经过与可压缩槽道直接模拟结果的比较验证,证实了本文所提出的大涡模拟方法是合理可靠的。 (2)大涡模拟研究了可压缩波形壁湍流问题。针对下壁面波形、上壁面平板的可压缩槽道湍流,分析探讨了波形壁不同波幅下可压缩湍流特性,研究了可压缩湍流的近壁动力学行为,着重分析了壁面曲面效应及可压缩性对湍流的影响。研究表明:随着波幅的增大,流场的可压缩效应对湍流的影响增强。在波形壁附近,受到壁面曲面效应影响的湍动能方程中各项的贡献与平板槽道流动相差变大。壁面曲面效应还改变了近壁处湍流结构。由于壁面曲面效应的影响,涡量拉仲扭转效应、散度效应以及斜压效应对旋涡动力学特征的影响作用发生明显变化。 (3)直接数值研究了二维可压缩平面混合层和三维双组分混合层流动问题。着重探讨了对流马赫数和双组分密度分层对流动的影响,分析了流动的转捩及拟序结构的演化过程。研究表明:随着对流马赫数的增加,混合层的扰动增长率降低,可压缩效应增强,流场中出现复杂的涡—激波干扰结构。另一方面,密度分层对混合层的发展演化影响也很大,混合层的扰动增长率随着密度比的增大而降低。在双组分混合层发展初期,可压缩效应尤其是斜压效应对旋涡的发展起主要影响作用。在发展后期,压缩性影响减弱,涡量拉伸扭转作用主要改变着旋涡动力学特征。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O357.5

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 邓锐;阻流板对双体船水动力性能影响的数值研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 郑秋亚;基于Navier-Stokes方程的复杂流动数值模拟精度与并行计算研究[D];西安电子科技大学;2011年
3 常雨;超声速/高超声速等离子体流场数值模拟及其电磁特性研究[D];国防科学技术大学;2009年
4 李德玉;基于低温气体环境冰粒即时制备及冰射流表面脱漆研究[D];中国矿业大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 李新亮,马延文,傅德薰;可压槽道湍流的直接数值模拟及标度律分析[J];中国科学(A辑);2001年02期
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3 曹 伟,周 恒;二维超音速混合层增强混合的研究[J];中国科学(A辑);2002年02期
4 傅德薰,马延文;时间发展平面混合流的三维演化[J];力学学报;1998年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 余敏,胡卓焕;喷管通道内气体流动特性的数值模拟[J];上海理工大学学报;2005年05期
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中国重要会议论文全文数据库 前5条
1 尹书冉;曹兵;胡宁宁;刘士和;;波状边界上湍流运动的深化研究[A];水力学与水利信息学进展 2009[C];2009年
2 黄章峰;周恒;;超声速边界层中二维扰动的演化及小激波的产生[A];2003空气动力学前沿研究论文集[C];2003年
3 邢超;罗纪生;;剪切流的气动声学数值模拟中边界处理的研究[A];2003空气动力学前沿研究论文集[C];2003年
4 李启兵;符松;;高速混合层中小激波初探[A];2003’全国流体力学青年研讨会论文集[C];2003年
5 刘彧;周进;晏至辉;;壁面凹腔对超声速混合层的影响特性研究[A];第十五届全国激波与激波管学术会议论文集(上册)[C];2012年
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1 姚建林;气体钻井环空流场分析及岩屑对管柱的冲蚀特性研究[D];上海大学;2011年
2 韩健;高超声速尖锥边界层流动稳定性的子波分析与互双谱分析[D];天津大学;2010年
3 李启兵;应用BGK格式对可压缩混合层的数值研究[D];清华大学;2002年
4 杨志毅;油气超音速旋流分离技术研究[D];西南石油学院;2004年
5 张晓东;泄洪洞高速水流三维数值模拟[D];中国水利水电科学研究院;2004年
6 罗坤;气固两相自由剪切流动的直接数值模拟和实验研究[D];浙江大学;2005年
7 邹高万;船舶机舱火灾热流场特性研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
8 黄章峰;超音速平板边界层从层流到湍流的转捩机理及湍流特性[D];天津大学;2006年
9 王磊;湍流传热和湍流控制的数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2007年
10 刘晓;重力波非线性传播及其与背景风场和潮汐相互作用的模拟研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2007年
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1 王黎黎;旋风除尘器内部流场实验和数值模拟研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
2 王帅;气固两相流气相亚格子模型效应的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 方小杰;考虑变比热高超音速平板边界层转捩预测[D];天津大学;2010年
4 刘彧;双燃烧室冲压发动机混合增强及燃烧流场的实验和数值仿真研究[D];国防科学技术大学;2011年
5 程艳伟;二维非定常可压缩湍流的大涡数值模拟[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
6 杲东彦;虹吸式出水流道三维紊流数值模拟及优化试验研究[D];扬州大学;2003年
7 赵晗;具有压力梯度的二维超音速边界层扰动演化的数值模拟研究[D];天津大学;2004年
8 杨国平;轴流泵叶轮及后导叶流场计算与分析[D];扬州大学;2005年
9 王洪庆;泄洪洞的紊流数值模拟及试验研究[D];西北农林科技大学;2006年
10 徐晓磊;基于并行计算的三维可压混合层大涡模拟[D];南京理工大学;2006年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 岳志远;曹志先;车涛;李新;;冰湖溃决洪水的二维水动力学数值模拟[J];冰川冻土;2007年05期
2 马亮,李亭鹤;有限体积法中面积分离散格式的精度分析[J];北京航空航天大学学报;2000年05期
3 黄贤禄,阎超,陈靓,龙尧松;多翼导弹复杂流场及气动力的数值计算[J];北京航空航天大学学报;2002年04期
4 高秋新;船舶CFD研究进展[J];船舶力学;1999年04期
5 常煜,张志荣,赵峰;多块结构化网格在含附体水面船模粘性流场数值计算中的应用[J];船舶力学;2004年01期
6 张志荣,李百齐,赵峰;螺旋桨/船体粘性流场的整体数值求解[J];船舶力学;2004年05期
7 程明道,刘晓东,吴乘胜,张建武;高速排水型舰船加装尾板的节能机理[J];船舶力学;2005年02期
8 邓锐;黄德波;;带首鳍斜支柱SWATH水动力的数值研究[J];船舶力学;2007年04期
9 张楠;沈泓萃;姚惠之;;阻力和流场的CFD不确定度分析探讨[J];船舶力学;2008年02期
10 朱仁庆;方智勇;张照钢;陈正云;;Level-set法预报液舱内剧烈晃荡引起的冲击压强(英文)[J];船舶力学;2008年03期
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1 张志荣;赵峰;吴乘胜;;SUBOFF粘流场CFD模拟不确定度分析研究[A];2007年船舶力学学术会议暨《船舶力学》创刊十周年纪念学术会议论文集[C];2007年
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1 肖志祥;复杂流动Navier-Stokes方程数值模拟及湍流模型应用研究[D];西北工业大学;2003年
2 王志东;三维自由面湍流场数值模拟及其在水利工程中的应用[D];河海大学;2004年
3 柳军;热化学非平衡流及其辐射现象的实验和数值计算研究[D];国防科学技术大学;2004年
4 莫锦军;隐身目标低频宽带电磁散射特性研究[D];国防科学技术大学;2004年
5 刘少斌;等离子体覆盖目标的电磁特性及其在隐身技术中的应用[D];国防科学技术大学;2004年
6 张玉;FDTD与矩量法的关键技术及并行电磁计算应用研究[D];西安电子科技大学;2004年
7 汤炜;ADI-FDTD及其混合算法在电磁散射中的应用[D];西安电子科技大学;2005年
8 李雪松;基于可压缩流方法的大涡模拟及其工程化应用[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2006年
9 徐利军;复杂目标等离子体涂层的散射特性算法研究[D];国防科学技术大学;2006年
10 王明波;磨料水射流结构特性与破岩机理研究[D];中国石油大学;2007年
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1 罗青山;三维粘性流数值模拟研究[D];武汉理工大学;2003年
2 郑光;飞机蒙皮激光脱漆技术研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2005年
3 韩冰冰;三维湍流流场数值计算方法的研究[D];西北工业大学;2006年
4 朱冰;导弹雷达舱等离子体隐身原理研究[D];西北工业大学;2006年
5 曹玮;基于CFD的气动喷砂机理与喷砂流场特性研究[D];大庆石油学院;2006年
6 李艳;液氮冷藏车喷淋冷冻冷藏性能模拟分析[D];吉林大学;2006年
7 庞宇飞;重叠网格自动处理技术及其应用[D];国防科学技术大学;2005年
8 周红梅;二维湍流流场数值模拟方法的研究[D];西北工业大学;2007年
9 任雄;基于SIMPLE算法的三维湍流流场数值模拟方法的研究[D];西北工业大学;2007年
10 占惊春;基于SIMPLE算法的湍流场的计算机仿真[D];安徽大学;2007年
【二级引证文献】
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1 殷雄;赵振维;张厚;孙树计;姜聿焘;许志永;;等离子体散射分析的改进型交替隐式时域方法[J];电波科学学报;2013年02期
2 杨玉明;王红;谭贤四;张伟;;再入等离子体隐身及反隐身分析[J];空军雷达学院学报;2012年04期
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1 李宁;双基地高超音速弹载SAR可用性与算法研究[D];国防科学技术大学;2011年
2 王许洁;高耐波性单体复合船型构型及水动力性能研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
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1 金莎莎;等离子体涂覆目标散射特性的FDTD方法[D];西安电子科技大学;2011年
2 梁洪光;带T型翼三体船的阻力及耐波性能研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
3 程宣恺;改变侧体姿态角的三体船水动力性能数值模拟[D];哈尔滨工程大学;2011年
4 喻明浩;20kW电弧加热器数值模拟及实验研究[D];山东大学;2012年
5 刘冰;高速双体船纵向运动及其控制研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
6 朱艺文;石灰石地下矿山大管道抽出式机械通风研究[D];重庆大学;2012年
7 仲维伟;等离子体鞘套包覆目标电磁散射特性研究[D];西安电子科技大学;2012年
8 田巍;机翼三维绕流的非定常模拟研究[D];湖南大学;2012年
9 陈晨;高超声速飞行器红外辐射特性分析[D];南京理工大学;2013年
10 贺友龙;高超声速目标等离子体流场电磁特性数值模拟[D];南京理工大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 马延文,傅德薰;计算空气动力学中一个新的激波捕捉法——耗散比拟法[J];中国科学(A辑 数学 物理学 天文学 技术科学);1992年03期
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孙小波;范学军;陆夕云;;可压缩双组分混合层的直接数值模拟研究[J];中国科学技术大学学报;2007年10期
2 应展烽;陈志华;徐晓磊;董刚;范宝春;;可压缩混合层流动的三维大涡模拟[J];南京理工大学学报(自然科学版);2008年03期
3 张兆顺;第一届国际直接数值模拟和大涡模拟会议介绍[J];力学进展;1998年03期
4 许春晓;吴超;崔桂香;;壁面在展向作周期运动的槽道湍流的大涡模拟[J];计算物理;2006年05期
5 李斌;吴颂平;;基于非Favre过滤的大涡模拟[J];北京航空航天大学学报;2007年10期
6 杨武兵;庄逢甘;沈清;关发明;王强;易仕和;赵玉新;何霖;田立丰;;超声速混合层(Mc=0.5)流动现象的实验观测和计算分析[J];中国科学(G辑:物理学 力学 天文学);2009年08期
7 刘有军;平面突扩流动非稳定性的大涡模拟[J];计算力学学报;1998年02期
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9 刘春嵘;邓丽颖;呼和敖德;;后台阶流场大涡模拟的入口边界条件研究[J];机械工程师;2009年11期
10 杨小龙;;热力羽流的大涡模拟[J];湖南大学学报(自然科学版);2008年07期
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8 陆夕云;庄礼贤;;热分层剪切湍流大涡模拟动力学亚格子尺度模型[A];全国流体力学青年研讨会论文集[C];2001年
9 陈建国;符松;;综合体育馆假想火灾的数值模拟[A];计算流体力学研究进展——第十一届全国计算流体力学会议论文集[C];2002年
10 杨庆山;李启;;亚格子模型在钝体绕流大涡模拟中的比较[A];第十四届全国结构风工程学术会议论文集(下册)[C];2009年
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1 蒲国永 周建君 本报记者 晏燕;从大山深处迈向科技颠峰[N];科技日报;2004年
2 本报记者 吴长锋;攥紧降伏火龙的铁拳[N];科技日报;2005年
3 本报记者 徐玢;汗洒科研主阵地[N];科技日报;2008年
4 ;凌国灿——旋涡流动与尾迹演化复杂性的探索者[N];科技日报;2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孙小波;可压缩剪切湍流的直接模拟和大涡模拟研究[D];中国科学技术大学;2007年
2 刘红娟;基于格子Boltzmann方法的撞击流的数值研究[D];华中科技大学;2007年
3 陈鑫蔚;三维气固两相混合层中相间耦合作用的直接数值模拟[D];浙江大学;2012年
4 王磊;湍流传热和湍流控制的数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2007年
5 时晓天;基于间断有限元的可压缩混合层数值模拟及其结构系综分析[D];北京大学;2010年
6 李德波;气固两相剪切流动大规模并行直接数值模拟研究[D];浙江大学;2011年
7 张斌;大涡模拟滤波网格分析及网格自适应控制研究与应用[D];上海交通大学;2011年
8 顾卫国;表面活性剂减阻流体减阻机理的实验与直接数值模拟研究[D];上海交通大学;2010年
9 宋慧芳;恒定有压扩散流局部非稳态流动研究[D];天津大学;2007年
10 朱伟亮;基于大涡模拟的CFD入口条件及脉动风压模拟研究[D];北京交通大学;2011年
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1 周阳;建筑物脉动风压场大涡模拟入流边界条件的生成研究[D];广东工业大学;2012年
2 冯伟斌;基于湍流自相似结构的大涡模拟算法设计[D];北京大学;2005年
3 郭晓东;直接数值模拟与大涡模拟后台阶湍流流动[D];南京航空航天大学;2007年
4 胡应明;采用大涡模拟技术发展NAPA软件的分离流动模拟能力[D];南京航空航天大学;2009年
5 邹丽;火灾羽流直接数值模拟[D];中国科学技术大学;2010年
6 袁步平;浮力反应羽流三维直接数值模拟[D];中国科学技术大学;2011年
7 肖红林;槽道湍流的大涡模拟[D];天津大学;2004年
8 谷黎;柴油机燃油喷雾的大涡数值模拟研究[D];南昌大学;2008年
9 沃傲波;柴油机喷雾准直接数值模拟及其雾化机理的研究[D];华中科技大学;2007年
10 吴堃;太阳能制冷用小型喷射器噪声研究及对策[D];东华大学;2010年
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