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壁湍流多尺度传输特性研究

贾宏涛  
【摘要】: 亚格子模式是湍流大涡模拟能否成功的关键,亚格子模式必须能够准确地描述湍流中的亚格子尺度和可解尺度之间的能量传输。在壁湍流中,不同尺度之间能量传输是十分复杂的,特别是在近壁区域,这给构造大涡模拟的亚格子模式带来了巨大的困难。因此认清湍流的多尺度能量传输性质对提高大涡模拟的准确性有着十分重要的意义。本文利用了子波分析方法和Fourier分析方法对槽道湍流的多尺度能量传输的性质进行了分析,并对湍流的多尺度能量传输与流动结构的关系进行了探讨。 本文分别在流向和展向上利用正交子波分析对一维湍动能的多尺度传输进行了分析。发现在流向,能量的传输只有在近壁区域有比较小的反传,而在其它区域则全部是能量的正传。但是展向多尺度分解的结果则与流向的结果有很大的不同,在近壁区域能量的传输以反传为主,而在远离壁面的区域则以正传为主,并且随着截断尺度的增大能量的反传区域逐渐增大,而能量的正传区域逐渐减小。并且在展向分解的结果表明能量的传输先随截断尺度的增大而增大,而后随着截断尺度的增大而减小;能量传输的峰值位置也更靠近壁面。 本文利用Fourier分析方法对大涡模拟中的亚格子能量传输进行了详细地分析。发现能量的传输主体上是能量的级串过程,即从可解尺度传到亚格子尺度。但是同时也存在能量从亚格子尺度到可解尺度的反传。并且能量的传输并不总是尺度局部的,而是随着截断尺度的不同而有所不同。因此,在构造亚格子模式的时候应该充分考虑到这种特性。发现亚格子扩散在壁湍流的能量传输中起着重要作用。 本文探讨了湍流的多尺度能量传输与流动结构的关系。根据临界点理论将流动的结构分为稳定的焦点、不稳定的焦点、稳定的结点/鞍点和不稳定的结点/鞍点四种类型。发现能量的正传与不稳定的结点/鞍点型的流动结构有密切的关系。但是反传并不与哪种特定的流动结构有密切的关系。


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