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旋转槽道湍流流动及热特性和大涡模拟模式研究

杨子轩  
【摘要】:沿展向旋转的槽道湍流是旋转机械冷却系统的重要模型。本文利用直接数值模拟结果分析了旋转对流动和传热特性的影响,并提出了新的亚格子模式以模拟旋转效应。新模式在Re=7000,Ro=0.3、0.6的旋转槽道中进行了检验,其中雷诺数Re=umh/ν和旋转数Ro=2h/um由半槽宽h、截面平均速度um、分子粘性ν和槽道旋转角速度定义。本文还进行了被动亚格子标量通量模式的检验,标量普朗特数Pr=0.1,0.3,0.7和1.0,其中Pr=ν/κ,κ为标量的分子扩散系数。本文的主要研究结果如下: 建立了旋转槽道湍流的直接数值模拟数据库,数据库参数如上文所述,并分析了湍流的基本统计特性。为讨论旋转效应的影响,对雷诺应力及湍动能输运方程的平衡进行了分析,结果表明,由于旋转对雷诺切应力的输运有直接而强烈的影响,因此在亚格子模式中模拟旋转效应首先应当考虑雷诺切应力的输运方程。对被动标量的研究表明,在不旋转槽道中,标量脉动和流向速度脉动具有很好的相似性,但是在旋转槽道中,这种相似性被破坏。 本文针对旋转槽道湍流的特性,提出了新的动力亚格子应力模式。与传统的涡粘型模式不同,新模式假设亚格子应力和可解尺度变形率张量之间满足非线性关系。本文还提出了新的动力方法以更合理地确定非线性模式的系数。新模式的线性部分和涡粘模式形式及动力方法相同,可提供适当的亚格子耗散。非线性部分模拟旋转效应,因此雷诺切应力的输运方程被用于推导非线性项模式系数。 本文检验了各种亚格子应力模式,包括三个新模式和四个已有的模式。新模式给出的统计量结果优于以前的模式。尤其是全局平均的非线性模式能够正确地预测Taylor-G rtler涡的运动规律,这是大涡模拟模式的一个重要进步。 本文还进行了被动标量的大涡模拟。通过分析发现亚格子标量通量的涡扩散模式可以模拟旋转效应,因此不需要使用标量通量的非线性模式。在旋转槽道中的检验表明当亚格子应力模式能够准确地预测速度场时,标量场的结果和直接数值模拟结果符合得很好。


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