發(fā)布時間：2018-11-28 11:05

【摘要】：眾所周知,壁面粗糙度廣泛存在于能源、化工等領域,粗糙度的存在不僅破壞了邊界層原有的粘性底層結構,而且嚴重影響著邊界層內的流動特征以及兩相流動中顆粒的彌散過程。因此,研究粗糙度對于湍流邊界層的影響具有很強的工程應用和科研價值。本文采用直接數(shù)值模擬方法、內嵌邊界算法和點源方法相結合的方式,對粗糙壁面上單相和兩相湍流邊界層進行了比較系統(tǒng)的研究,以揭示湍流-顆粒-壁面粗糙度等多物理場耦合的作用關系及影響機理。首先,通過計算圓柱和圓球繞流兩個算例,驗證了本文所采用的內嵌邊界算法在中高雷諾數(shù)和拉伸網(wǎng)格系統(tǒng)下的正確性和準確性。隨后,在此程序的基礎上開展了半圓球粗糙壁面上湍流邊界層流動的直接數(shù)值模擬研究,考察了不同壁面粗糙度對于湍流邊界層流場、擬序結構、各向異性等的影響,探討了粗糙元誘導產(chǎn)生出的渦結構在邊界層中的演變過程及內外層渦結構的相互作用機理。通過研究發(fā)現(xiàn),粗糙元頂端周期性脫落的發(fā)卡渦與邊界層內的湍流渦相互作用,破壞了原有的近壁面湍流結構,引起了較強地內外層的動量交換,縮短了邊界層內相干結構的尺寸。粗糙元的存在增大了流動阻力,使得流向速度明顯降低,而粗糙元的阻塞效應使得流向上的能量部分轉移到展向和法向上,從而降低了流向脈動速度,增大了法向和展向的脈動速度,并且研究同樣證實了粗糙元的阻塞效果與其形狀之間有著重要的關聯(lián)性。其次,本文開展了 Gauss隨機粗糙壁面對于層流和湍流邊界層影響的研究,研究了 Gauss隨機粗糙壁面誘導擾動的增長模式,分析了不同相關長度、歪斜度和峰態(tài)在擾動能量增長方式上的作用機理,以及Gauss隨機粗糙壁面對于湍流邊界層流場和擬序結構等的影響規(guī)律。研究表明,隨機粗糙壁面與規(guī)則布置粗糙元類似,同樣可以引起擾動能量的瞬態(tài)增長模式。其中,粗糙壁面的歪斜度和峰態(tài)不僅影響著不同波長擾動能量的分布,而且影響著各波長隨后的增長過程。而擾動能量的諧波波長與流向和展向的相關長度均有關。在湍流邊界層中,粗糙壁面的波峰的歪斜度和峰態(tài)以及波峰間的關系同樣影響著流場、渦結構和湍流雷諾應力的產(chǎn)生和發(fā)展過程。通常波峰峰值較高時,湍流渦及雷諾應力的形成會比較明顯,而當兩波峰相互緊鄰分布時,會起到相互抑制影響的效果。最后,在單相湍流邊界層的基礎上,本文開展了半圓球粗糙壁面上兩相湍流邊界層流動的直接數(shù)值模擬研究,考察了湍流-顆粒-粗糙度之間的相互作用機理。研究發(fā)現(xiàn),顆粒的加入抑制了粗糙元頂端渦結構的產(chǎn)生,改變了粗糙元后方回流區(qū)長度,削弱了粗糙元對于邊界層的影響。與光滑壁面上湍流邊界層相比,粗糙元的存在使得近壁面區(qū)域的流體和顆粒速度低于單相流體速度,并且雷諾應力峰值位置得到上移。此外,粗糙元引發(fā)的噴出和掃入事件將近壁面顆粒運輸?shù)酵鈱?從而造成近壁面區(qū)域顆粒的優(yōu)先聚集現(xiàn)象減弱,并且其效果隨著粗糙元間距減小而增強。對于小尺度顆粒,由于其較小的顆粒慣性,使得一部分顆粒跟隨流體運動到粗糙元前后的回流區(qū)。與大尺度顆粒相比,在法向上分布的更為均勻。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O357.5;O359

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本文編號：2362654