本文關(guān)鍵詞：基于旋流強(qiáng)度的亞格子模型及其在不可壓流動(dòng)大渦模擬中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：大渦模擬(LES)能實(shí)現(xiàn)對(duì)非定常湍流流動(dòng)的精細(xì)模擬,優(yōu)于雷諾平均(RANS),但是計(jì)算量較大。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算水平的提高,將LES用于實(shí)際工程是一種發(fā)展趨勢(shì)。LES的思想是采用低通濾波器對(duì)Navier-Stokes (NS)方程進(jìn)行過(guò)濾,僅對(duì)大尺度的渦進(jìn)行直接模擬,丟失的小尺度信息則采用亞格子模型來(lái)描述。根據(jù)亞格子尺度的不同特性,已經(jīng)發(fā)展出多種亞格子模型,但是目前的亞格子模型均沒(méi)有說(shuō)明,在何種情況下,LES能夠直接過(guò)渡成直接數(shù)值模擬(DNS)進(jìn)行計(jì)算。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),鑒于旋流強(qiáng)度能夠較好的反映旋渦特性,本文結(jié)合渦粘性假設(shè),提出了一種基于旋流強(qiáng)度的亞格子模型。該模型具有當(dāng)?shù)責(zé)o旋渦時(shí),湍流粘性系數(shù)自動(dòng)為零的特性。并將該模型用于低Re數(shù)和高Re數(shù)下不可壓的湍流方柱繞流和不可壓低湍流度的方腔流的模擬。此外,本文采用投影法離散控制方程,并對(duì)空間對(duì)流項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)了,使其達(dá)到了4階精度,并用于LES計(jì)算。采用基于旋流強(qiáng)度的亞格子模型,對(duì)低Re數(shù)和高Re數(shù)下不可壓的湍流方柱繞 流模擬時(shí),結(jié)果表明： (1)在低Re數(shù)(Re∈[2.5×103,10×103])和高Re數(shù)(Re∈[1.25×105,3.5×105])下,St數(shù)均很明顯與Re數(shù)不相關(guān),平均阻力系數(shù)CD也基本與Re數(shù)不相關(guān),平均升力系數(shù)CL的平均值為0,與Re數(shù)無(wú)關(guān),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。但是,當(dāng)Re∈[1.0×103,2.5×103]時(shí),平均阻力系數(shù)CD隨著Re的增大而增大。另外,在方柱繞流問(wèn)題中,沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似圓柱繞流中的阻力危機(jī)臨界現(xiàn)象。 (2)Re∈[1.25×105,3.5×105]時(shí),歸一化的平均速度及速度脈動(dòng)分布受Re數(shù)影響較小,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符。 (3)VST的平均值與均方平均值均隨Re數(shù)的增大而增大,它的峰值一般出現(xiàn)在方柱下游渦相互作用比較強(qiáng)的2個(gè)區(qū)域內(nèi)。 (4) Komogorov微尺度分布顯示,近壁面的湍動(dòng)能耗散較強(qiáng)。湍流間歇因子(FSI)的等值面顯示在旋渦脫落的初始位置分成薄片狀的旋渦結(jié)構(gòu),而在尾跡區(qū)則表現(xiàn)為很多相對(duì)較小的旋渦結(jié)構(gòu)。 (5)t-z平均流場(chǎng)不沿著y=0.5對(duì)稱(chēng),導(dǎo)致頂部的面Nusselt數(shù)t-z平均值和底部的不同。在方腔自然對(duì)流問(wèn)題中,結(jié)果表明： (1)通過(guò)壁面附近的溫度和速度分布及不同截面上的渦量分布可知,對(duì)方腔自然對(duì)流問(wèn)題,在方腔的壁面附近會(huì)形成較大的氣體環(huán)流帶,伴隨著壁面附近的環(huán)流,在壁面環(huán)流與方腔的核心區(qū)之間形成了一些與壁面環(huán)流方向相反的旋渦,在方腔的左上角與右下角將出現(xiàn)較多、較復(fù)雜的細(xì)小旋渦結(jié)構(gòu)。 (2)Ra=1.58×109時(shí),中平面上(z=0)水平中心線的速度分布與實(shí)驗(yàn)值在壁面最里層區(qū)域和方腔的核心區(qū)內(nèi)符合的較好,但水平中心線左側(cè)熱壁附近的平均速度最大值的計(jì)算值大于實(shí)驗(yàn)值。垂直中心線的速度與實(shí)驗(yàn)值符合得較好。中平面水平線上無(wú)量綱溫度的計(jì)算值略低于實(shí)驗(yàn)值,垂直中心線上的分布符合得較好。但是它們都會(huì)受到Ra數(shù)變化的影響。 (3)Ra=1.58×109時(shí),v’和(?)’與實(shí)驗(yàn)值符合得較好,而u’的計(jì)算值則明顯被低估了,因而最后也導(dǎo)致熱壁附近的湍流剪切應(yīng)力被低估。隨著當(dāng)Ra數(shù)的增大,僅壁面環(huán)流的主流速度的脈動(dòng)獲得了加強(qiáng),而垂直于壁面的速度的脈動(dòng)變化不明顯,溫度的脈動(dòng)也被抑制。 (4)Ra=1.58×109時(shí),各面的Nusselt數(shù)與實(shí)驗(yàn)值符合得較好,與理論值相差小于8%。頂面的Nusselt數(shù)沿x方向逐漸增大,底面的Nusselt數(shù)沿x方向逐漸減小。左側(cè)熱壁的Nusselt數(shù)沿y方向逐漸減小,右側(cè)冷壁的Nusselt數(shù)沿y方向逐漸增大。 通過(guò)對(duì)低Re數(shù)和高Re數(shù)下不可壓的湍流方柱繞流及不可壓方腔自然對(duì)流問(wèn)題計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值和理論值的比較表明,本文提出的基于旋流強(qiáng)度的亞格子模型及改 進(jìn)的有限差分算法在此類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算中是有效的。
【關(guān)鍵詞】：亞格子模型 大渦模擬 湍流 旋流強(qiáng)度 方柱繞流 方腔流 自然對(duì)流 FSI 湍流間歇性
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：O357.5
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-12
• 插圖目錄12-15
• 表格目錄15-16
• 符號(hào)表16-17
• 第一章 緒論17-31
• 1.1 研究背景17-18
• 1.2 大渦模擬的研究18-28
• 1.2.1 濾波與大渦模擬控制方程18-20
• 1.2.2 亞格子模型20-27
• 1.2.3 其它形式的大渦模擬27-28
• 1.3 本文主要工作28-31
• 第二章 控制方程與數(shù)值方法31-41
• 2.1 引言31
• 2.2 旋流強(qiáng)度31-32
• 2.3 基于旋流強(qiáng)度的亞格子應(yīng)力模型32-34
• 2.4 數(shù)值方法34-38
• 2.4.1 求解過(guò)程34-35
• 2.4.2 雙穩(wěn)定共軛梯度法35-36
• 2.4.3 算法改進(jìn)36-37
• 2.4.4 計(jì)算時(shí)間步的可靠性估計(jì)37-38
• 2.5 亞格子模型的考核38-39
• 2.6 基于旋流強(qiáng)度的亞格子模型特性39-40
• 2.7 本章小結(jié)40-41
• 第三章 低Re數(shù)下不可壓方柱繞流的大渦模擬41-57
• 3.1 引言41-44
• 3.2 計(jì)算參數(shù)與網(wǎng)格劃分44-46
• 3.3 初邊值條件46-47
• 3.4 計(jì)算結(jié)果分析與討論47-55
• 3.4.1 湍流統(tǒng)計(jì)量47-50
• 3.4.2 瞬時(shí)流場(chǎng)50-52
• 3.4.3 t-z平均場(chǎng)52-54
• 3.4.4 瞬時(shí)等值面54-55
• 3.5 本章小結(jié)55-57
• 第四章 高Re數(shù)下不可壓方柱繞流的大渦模擬57-75
• 4.1 引言57-58
• 4.2 計(jì)算參數(shù)與網(wǎng)格劃分58
• 4.3 初邊值條件58-59
• 4.4 計(jì)算結(jié)果分析與討論59-72
• 4.4.1 湍流統(tǒng)計(jì)量60-64
• 4.4.2 Nusselt數(shù)64-65
• 4.4.3 流動(dòng)分布65-67
• 4.4.4 瞬時(shí)流場(chǎng)67-69
• 4.4.5 t-z平均場(chǎng)69-71
• 4.4.6 瞬時(shí)等值面71-72
• 4.5 本章小結(jié)72-75
• 第五章 方腔自然對(duì)流的大渦模擬75-95
• 5.1 引言75-77
• 5.2 計(jì)算參數(shù)與網(wǎng)格劃分77-79
• 5.3 控制方程79
• 5.4 邊界條件79-80
• 5.5 數(shù)值方法80-81
• 5.6 計(jì)算結(jié)果分析與討論81-91
• 5.6.1 湍流統(tǒng)計(jì)量82-87
• 5.6.2 Nusselt數(shù)87-89
• 5.6.3 瞬時(shí)流場(chǎng)89-91
• 5.6.4 湍流的間歇性91
• 5.7 本章小結(jié)91-95
• 第六章 結(jié)束語(yǔ)95-101
• 6.1 本文主要工作95-98
• 6.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)98
• 6.3 研究展望98-101
• 參考文獻(xiàn)101-113
• 攻讀博士學(xué)位期間的研究成果113-115
• 致謝115

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：基于旋流強(qiáng)度的亞格子模型及其在不可壓流動(dòng)大渦模擬中的應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：264989