本文關鍵詞：圓盤近尾跡的數(shù)值模擬研究　出處：《中國科學技術大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：圓盤繞流在空氣動力學和水力動力學裝置中有廣泛應用,如降落傘和火焰穩(wěn)定器,因而成為不少數(shù)值和實驗研究的主題。另一方面,圓盤作為一種典型的帶尖銳邊緣的軸對稱鈍體,其尾跡研究能幫助我們理解復雜三維鈍體繞流中剪切層分離、轉變和尾跡的發(fā)展。此外,相比于球或圓柱,圓盤尾跡的研究文獻還相對較少,對其復雜物理過程的了解還不全面與深刻。本文對徑厚比為5的圓盤近尾跡演化過程、湍流結構、不穩(wěn)定性等開展系統(tǒng)的數(shù)值研究,選題具有重要的學術價值及工程應用背景。本文主要工作及創(chuàng)新點如下：首先,對低雷諾數(shù)(115Re103)時圓盤近尾跡的演化進行數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)了一個新模態(tài)及邊界層不穩(wěn)定臨界雷諾數(shù)。當Re152時,尾跡呈穩(wěn)態(tài),沒有渦旋脫落發(fā)生。當Re=120時,第一個分叉出現(xiàn),尾跡為雙頭狀結構。當雷諾數(shù)增加到152,尾跡呈發(fā)夾渦結構,并有規(guī)律地脫落。在152≤Re≤155時,近尾跡為非穩(wěn)態(tài)面對稱破壞模態(tài)；而在156Re264時,尾跡變?yōu)榉欠�(wěn)態(tài)面對稱模態(tài)。研究發(fā)現(xiàn),在非穩(wěn)態(tài)面對稱破壞模態(tài),發(fā)夾渦在固定周向方位脫落;而在非穩(wěn)態(tài)面對稱模態(tài),發(fā)夾渦在徑向相對的兩個周向方位交替脫落。當雷諾數(shù)增加到265時,發(fā)夾渦周向脫落方位開始變得不規(guī)律,一個新的‘4L’尾跡模態(tài)被識別。當雷諾數(shù)增加到650,發(fā)生剪切層不穩(wěn)定。本文首次預測了剪切層不穩(wěn)定性出現(xiàn)的臨界雷諾數(shù)是在601～650之間。包裹在渦旋形成區(qū)外面的圓柱狀剪切層開始卷起并形成扁平狀渦環(huán)。此時,發(fā)夾渦開始破碎,尾跡中可觀測到剪切層不穩(wěn)定性引起的小尺度結構。其次,采用條件平均研究Re=104圓盤湍流近尾跡,發(fā)現(xiàn)層流演化中的非穩(wěn)態(tài)面對稱及面對稱破壞結構。觀察到整個近尾跡的大尺度波動,并引入“尾跡位置”研究其波動機制。研究表明,圓盤尾跡大尺度波動是由于近尾跡中同時存在許多不規(guī)則的螺旋或類螺旋結構引起的�！拔槽E位置”的相圖能很好地描述大尺度渦旋脫落周向方位的運動,且運動變化頻率與大尺度渦旋脫落頻率相等。通過兩種不同條件采樣,可發(fā)現(xiàn)圓盤湍流近尾跡中存在兩種相干結構：與低雷諾數(shù)時非穩(wěn)態(tài)面對稱模態(tài)近尾跡結構類似的面對稱相干結構,和與非穩(wěn)態(tài)面對稱破壞模態(tài)近尾跡結構類似的非對稱相干結構。再者,本文基于三維適定正交分解(3D-POD)方法揭示了圓盤湍流近尾跡和低雷諾數(shù)近尾跡之間的物理關聯(lián)機制。選取算例為Re=152、170、300和3×103的圓盤近尾跡,分別對應于非穩(wěn)態(tài)面對稱破壞、非穩(wěn)態(tài)面對稱、弱紊亂模態(tài)和湍流狀態(tài)。通過對POD空間模態(tài)的分析,發(fā)現(xiàn)由第一模態(tài)對表征的面對稱渦旋脫落一直存在于所有不同尾跡狀態(tài)中。當近尾跡發(fā)展為“弱紊亂”模態(tài)時,由第二模態(tài)對表征的一種新的面對稱破壞渦旋脫落開始出現(xiàn),并在Re=3×103的湍流尾跡中完全形成。另一方面,湍流近尾跡中由前兩個POD模態(tài)重構提取的相干結構,與非穩(wěn)態(tài)面對稱模態(tài)近尾跡結構十分類似；而由前四個POD模態(tài)重構提取的相干結構,則與非穩(wěn)態(tài)面對稱破壞模態(tài)近尾跡結構十分類似。這些結果表明低雷諾數(shù)時非穩(wěn)態(tài)面對稱破壞和非穩(wěn)態(tài)面對稱兩個模態(tài)的尾跡動力學特征和不穩(wěn)定性(如大尺度渦旋脫落機制)仍然存在圓盤湍流近尾跡中。最后,本文對圓盤近尾跡中低頻特征進行研究,并揭示了兩個低頻發(fā)生機制及其相應湍流結構物理特征。研究中,選取算例為Re=250、300、3×103和104時圓盤近尾跡。流場中不同位置處速度的傅里葉頻譜分析表明,當雷諾數(shù)增加到300時圓盤近尾跡中除了大尺度渦旋脫落頻率和對應于剪切層KH不穩(wěn)定性的頻率外,還檢測到幾個非常低的頻率：Stp≈0.03、Str≈0.02,Str的二次諧波0.04及0.05。鑒于本文數(shù)據(jù)采樣總時間比較有限,故借助小波分析方法來驗證及進一步研究分析。小波譜上對應于大尺度渦旋脫落和剪切層KH不穩(wěn)定的頻率帶,其譜強度和頻率值都會隨時間發(fā)生變化。這也再次說明傳統(tǒng)傅里葉頻譜分析對有限的數(shù)值模擬信號不再有代表性。盡管如此,低頻率Stp=0.03和Str≈0.02都被清楚地證實,而低頻率0.04和0.05在小波譜上僅在少數(shù)時間段出現(xiàn)而且譜強度非常弱。研究發(fā)現(xiàn)低頻特征頻率基本不隨雷諾數(shù)增加而改變。通過FFT及小波分析,低頻特性及其機制變得更加清晰。低頻率Stp≈0.03對應于回流區(qū)的低頻軸向伸縮脈動,而低頻率Str≈0.02則是對應于大尺度渦旋周向脫落方位旋轉的低頻調制,即旋轉方向的改變。為了驗證上述機制,對低通過濾后流場的時間演化進行分析發(fā)現(xiàn),回流區(qū)的伸縮脈動是與回流區(qū)中大渦旋的生長和脫落有關,也與剪切層卷吸運動密切相關。剪切層開始卷起的位置越靠近下游,則相應的回流區(qū)軸向越長；反之,剪切層開始卷起的位置越靠近圓盤,則相應的回流區(qū)軸向越短。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O357.5

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