隨著實(shí)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)槽道紊流中蘊(yùn)含著非常豐富的紊流相干結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)的生成及演化過(guò)程將有助于闡明紊流的物理本質(zhì),促進(jìn)流體力學(xué)學(xué)科研究的深入發(fā)展,在大量的工程中亦將得到實(shí)際應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度法被廣泛應(yīng)用于提取紊流相干結(jié)構(gòu)中的渦旋結(jié)構(gòu),然而已有文獻(xiàn)普遍采用數(shù)值方法求解旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度,未能給出旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的影響因素。此外,渦旋提取或采用二維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度或采用三維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度,兩者結(jié)果間可比性較差,且三個(gè)切面（XY、XZ及YZ）內(nèi)渦旋屬性的研究尚不完整。本文經(jīng)過(guò)推導(dǎo)給出了二維和三維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的理論解,并將其應(yīng)用在:分析二維和三維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的差異;研究時(shí)均剪切對(duì)渦旋識(shí)別的影響;對(duì)比DNS槽道紊流中二維和三維渦旋屬性在三個(gè)切面內(nèi)的差異;建立方腔槽道紊流相干結(jié)構(gòu)的唯象模型。主要結(jié)論如下:（1）推導(dǎo)得出二維和三維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的理論關(guān)系式（2.13）,利用DNS槽道紊流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出,二維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、λcr3Dl及線變形率占三維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的比重分別為84%、5%及11%。導(dǎo)致二維與三維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度差異的本質(zhì)原因?yàn)闇u旋的傾角,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)兩者比值與渦旋傾角間存在普適的正弦關(guān)系。（2）分別以存在垂向剪切的二、三維槽道紊流為例,推導(dǎo)得出時(shí)均剪切通過(guò)兩項(xiàng)影響了渦旋的識(shí)別。僅當(dāng)渦旋旋轉(zhuǎn)平面與剪切平面一致、旋轉(zhuǎn)方向與剪切方向相反、時(shí)均剪切大于渦旋中心渦量的一半時(shí),時(shí)均剪切才會(huì)影響到渦旋的識(shí)別,且此條件主要出現(xiàn)在y+<50的區(qū)域。（3）對(duì)比槽道內(nèi)三個(gè)切面（XY、YZ及XZ）的二維和三維渦旋屬性可知:二維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度會(huì)“破碎”三維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度場(chǎng),導(dǎo)致三維渦旋的密度略小于二維渦旋,而三維渦旋的面內(nèi)半徑略大于二維渦旋,但三維渦管半徑小于二維渦旋半徑。渦旋與三個(gè)切面間的傾角主要為45°55°;由傾角與投影角的聯(lián)合概率密度分布可知,在近壁區(qū)內(nèi),渦旋方向具有規(guī)律性,隨著垂向距離的增大,渦旋方向變得隨機(jī)無(wú)序。（4）由于方腔的存在,槽道剪切層在導(dǎo)邊處發(fā)生分離,往下游運(yùn)動(dòng)發(fā)展的過(guò)程中,沖撞在隨邊、下游邊墻及方腔底部,導(dǎo)致了一系列復(fù)雜流態(tài)的產(chǎn)生。綜合時(shí)均環(huán)流、瞬時(shí)渦旋、雷諾應(yīng)力及POD模態(tài),建立了方腔槽道紊流相干結(jié)構(gòu)的唯象模型,可用于預(yù)測(cè)方腔內(nèi)污染物滯留及泥沙淤積的位置。

 

清華大學(xué)北京市211工程院校985工程院校教育部直屬院校

 

【學(xué)位級(jí)別】：博士

 

頁(yè)數(shù)：102

 

文章目錄

摘要

Abstract

第1章 引言

    1.1 研究的背景和意義

    1.2 槽道紊流相干結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

        1.2.1 壁面紊流相干結(jié)構(gòu)

        1.2.2 渦旋識(shí)別方法

        1.2.3 槽道紊流的渦旋屬性

    1.3 本文研究?jī)?nèi)容

第2章 渦旋旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的理論解及應(yīng)用

    2.1 旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度理論解

    2.2 二維與三維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的分析

        2.2.1 DNS槽道數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

        2.2.2 兩者的統(tǒng)計(jì)值比較

        2.2.3 兩者的代數(shù)關(guān)系

        2.2.4 兩者比值與渦旋傾角的關(guān)系

    2.3 時(shí)均剪切對(duì)渦識(shí)別的影響

        2.3.1 二維槽道及Oseen渦案例

        2.3.2 三維槽道及Burgers渦案例

        2.3.3 三維DNS槽道紊流數(shù)據(jù)驗(yàn)證

    小結(jié)

第3章 槽道紊流中渦旋的數(shù)量和尺度

    3.1 術(shù)語(yǔ)定義及計(jì)算方法

        3.1.1 術(shù)語(yǔ)定義

        3.1.2 渦旋的密度及半徑

    3.2 渦旋的密度

        3.2.1 二維渦旋密度

        3.2.2 三維渦旋密度

    3.3 渦旋的半徑

        3.3.1 二維渦旋半徑

        3.3.2 三維渦旋半徑

    小結(jié)

第4章 槽道紊流中渦旋的方向

    4.1 術(shù)語(yǔ)定義及計(jì)算方法

    4.2 渦旋的方向

        4.2.1 傾角

        4.2.2 投影角

        4.2.3 傾角與投影角的JPDF

    4.3 Ω 形發(fā)夾渦模型

    小結(jié)

第5章 方腔槽道紊流相干結(jié)構(gòu)

    5.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)條件

    5.2 多級(jí)窗口迭代的定網(wǎng)格圖像變形算法

    5.3 時(shí)均流場(chǎng)

    5.4 大尺度環(huán)流

    5.5 渦旋的空間分布

    5.6 POD分析

        5.6.1 主要含能模態(tài)

        5.6.2 含能模態(tài)的譜分析

    5.7 方腔槽道紊流相干結(jié)構(gòu)的唯象模型

    小結(jié)

第6章 結(jié)論與展望

    6.1 結(jié)論

    6.2 創(chuàng)新點(diǎn)

    6.3 展望

參考文獻(xiàn)

致謝

個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究

 

參考文獻(xiàn)

 

期刊論文

 

[1]明渠湍流橫向渦旋的尺度與環(huán)量特征[J]. 鐘強(qiáng),陳啟剛,李丹勛,王興奎.  四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版). 2013(S2)