本文關(guān)鍵詞：基于邊界層轉(zhuǎn)捩直接數(shù)值模擬的湍流生成與維持機(jī)理研究　出處：《南京航空航天大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：邊界層轉(zhuǎn)捩不僅在自然和工程流動(dòng)中起著關(guān)鍵性的作用,而且由于其具有相對(duì)有序的渦系結(jié)構(gòu),正日益在湍流生成、發(fā)展與維持機(jī)理的研究中扮演著重要的角色。本文針對(duì)可壓縮平板邊界層轉(zhuǎn)捩,采用直接數(shù)值模擬技術(shù)建立整個(gè)轉(zhuǎn)捩過程的流場數(shù)據(jù)庫,并對(duì)流場數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)證與分析。在此基礎(chǔ)上,對(duì)轉(zhuǎn)捩過程中的渦系結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)捩機(jī)理以及一些重要的物理現(xiàn)象進(jìn)行研究和探索,針對(duì)湍流提出了一些新的理解和認(rèn)識(shí)。論文的具體研究內(nèi)容及主要成果包括:(1)對(duì)轉(zhuǎn)捩過程中渦系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,尤其是Λ渦、發(fā)卡渦、流向渦和渦包的生成和演化機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的研究。發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)捩過程中,流場中的一次渦結(jié)構(gòu),通過其誘導(dǎo)的上噴和下掃等運(yùn)動(dòng),將無粘區(qū)的能量帶到邊界層底部,再通過剪切層不穩(wěn)定性,產(chǎn)生更小尺度的渦結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一重要現(xiàn)象,首次提出邊界層轉(zhuǎn)捩是有序的多層渦結(jié)構(gòu)“建造”過程,而不是通過大渦“破裂”產(chǎn)生小尺度渦結(jié)構(gòu)的過程。這一觀念與傳統(tǒng)湍流轉(zhuǎn)捩理論存在很大區(qū)別,為湍流轉(zhuǎn)捩理論研究和模型建立提供了新的思路和方向。(2)對(duì)湍流理論中的一些重要概念進(jìn)行梳理和探討,包括湍流猝發(fā)與間歇性,轉(zhuǎn)捩過程中總渦量的變化,渦是否是渦量的集中等。首次詳細(xì)研究了湍流轉(zhuǎn)捩過程中的間歇式猝發(fā)與渦系結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的關(guān)系,證明猝發(fā)并非來源于某種流動(dòng)不穩(wěn)定性或者渦“破碎”,而是有序的渦“建造”過程在歐拉視角的表現(xiàn)。其次,盡管轉(zhuǎn)捩過程中邊界層總渦量基本沒有變化,但流場內(nèi)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)相抵的渦量,這些渦量分別驅(qū)使渦旋運(yùn)動(dòng),因此,并不能將邊界層轉(zhuǎn)捩簡單看作是渦量重新分配的過程。同時(shí),本文引進(jìn)了“體積渦量”的概念,來說明轉(zhuǎn)捩過程渦量變化的原因。另外,人們普遍認(rèn)為渦是當(dāng)?shù)販u量的集中,然而根據(jù)直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫,Λ渦恰恰位于當(dāng)?shù)販u量最小的位置。(3)基于高精度的直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫,對(duì)渦顯示方法進(jìn)行研究,探討了渦量和渦之間的關(guān)系,并提出將渦量分為旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分的思想。根據(jù)這一概念,并結(jié)合流體剛性旋轉(zhuǎn)時(shí)耗散最小的事實(shí),提出了新的渦顯示方法:Ω方法。與目前比較流行的Q和λ_2方法相比,Ω方法具有以下優(yōu)點(diǎn):捕捉精度高并且容易應(yīng)用;物理含義更清晰;不需要針對(duì)每個(gè)具體問題給定閾值,使用Ω=0.52.左右總能得到較好的渦捕捉效果;能夠同時(shí)捕捉強(qiáng)渦和弱渦(具有高動(dòng)態(tài)范圍)。這一新的渦顯示方法,將能夠很好地推動(dòng)對(duì)湍流渦系結(jié)構(gòu)的研究。
[Abstract]:Boundary layer transition not only plays a key role in natural and engineering flows, but also because of its relatively orderly vortex structure, it is increasingly generated in turbulence. The development and maintenance mechanism plays an important role. In this paper, the flow field database of the whole transition process is established by direct numerical simulation for the compressible plate boundary layer transition. Based on the detailed verification and analysis of the flow field data, the vortex structure, transition mechanism and some important physical phenomena in the transition process are studied and explored. Some new understanding and understanding of turbulence are put forward. The specific research contents and main results of this paper include the development of vortex structure in transition process, especially the A vortex and hairpin vortex. The generation and evolution mechanism of flow vortex and vortex-pack are studied in detail. It is found that the primary vortex structure in the flow field is induced by the upward jet and downsweep motions during the transition process. The energy of the viscidity zone is brought to the bottom of the boundary layer and then through the instability of the shear layer to produce a smaller scale vortex structure. According to this important phenomenon. It is proposed for the first time that boundary layer transition is a process of "building" ordered multi-layer vortex structures, rather than a process of producing small-scale vortex structures through large vortex "rupture". This concept is very different from the traditional theory of turbulent transition. It provides a new idea and direction for the theoretical study and modeling of turbulent transition. (2) some important concepts in turbulence theory are combed and discussed, including turbulence burst and intermittency. For the first time, the relationship between intermittent burst and vortex structure motion and development during turbulent transition is studied in detail. It is proved that the burst does not originate from some flow instability or vortex "fragmentation", but rather from the Euler angle of view of the ordered vortex "construction" process. Secondly, although the total vorticity of the boundary layer does not change in the transition process, there is no change in the total vorticity in the boundary layer. However, both positive and negative vortices are produced in the flow field, which drive the vortex motion respectively. Therefore, the boundary layer transition can not be regarded as a process of vorticity redistribution. At the same time, the boundary layer transition can not be considered simply as a process of vorticity redistribution. In this paper, the concept of "volumetric vorticity" is introduced to explain the reason of vorticity variation during transition. In addition, it is generally considered that vorticity is the concentration of local vorticity, but based on the direct numerical simulation database. Based on the high precision direct numerical simulation database, the vorticity display method is studied, and the relationship between vorticity and vorticity is discussed. The idea of classifying vorticity into rotating part and non-rotating part is put forward. According to this concept and the fact that the fluid is rotated rigidly, the dissipation is minimized. In this paper, a new vortex display method, 惟 method, is proposed. Compared with the popular Q and 位 s _ 2 method, 惟 method has the following advantages: high capture accuracy and easy application; The physical meaning is clearer; It is not necessary to set a threshold value for each specific problem and use 惟 0. 52. The effect of vortex capture can always be better. It can capture both strong and weak vortices at the same time (with high dynamic range). This new vortex display method will be able to promote the study of turbulent vortex system structure.
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O357.5

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本文編號(hào)：1382542