可壓縮剪切湍流的直接模擬和大渦模擬研究.pdf

1、可壓縮湍流是流體力學中研究的重要問題之一。隨著計算科學和計算機技術的迅猛發(fā)展，數(shù)值模擬成為研究可壓縮湍流的一個重要手段。本文采用有限差分法數(shù)值求解了可壓縮Navier—Stokes方程，對于幾類典型的可壓縮剪切湍流問題進行了直接數(shù)值模擬和大渦模擬研究。本文發(fā)展了一類無需密度加權平均的可壓縮湍流大渦模擬方法；開展了可壓縮波形壁湍流的大渦模擬和可壓縮混合層流動的直接數(shù)值模擬。主要工作和研究成果如下： (1)提出了無需密度加權求解可壓

2、縮湍流的新型的大渦模擬方法。本文的方法克服了濾波變量和Favre平均變量的不自恰性，提出了一類更合理的大渦模擬方法。針對出現(xiàn)在連續(xù)方程、動量方程和能量方程中的亞格子項，合理地建立了相關的亞格子模型，模型系數(shù)采用動力學方法求解獲得。經過與可壓縮槽道直接模擬結果的比較驗證，證實了本文所提出的大渦模擬方法是合理可靠的。 (2)大渦模擬研究了可壓縮波形壁湍流問題。針對下壁面波形、上壁面平板的可壓縮槽道湍流，分析探討了波形壁不同波幅下可壓

3、縮湍流特性，研究了可壓縮湍流的近壁動力學行為，著重分析了壁面曲面效應及可壓縮性對湍流的影響。研究表明：隨著波幅的增大，流場的可壓縮效應對湍流的影響增強。在波形壁附近，受到壁面曲面效應影響的湍動能方程中各項的貢獻與平板槽道流動相差變大。壁面曲面效應還改變了近壁處湍流結構。由于壁面曲面效應的影響，渦量拉伸扭轉效應、散度效應以及斜壓效應對旋渦動力學特征的影響作用發(fā)生明顯變化。 (3)直接數(shù)值研究了二維可壓縮平面混合層和三維雙組分混合層

4、流動問題。著重探討了對流馬赫數(shù)和雙組分密度分層對流動的影響，分析了流動的轉捩及擬序結構的演化過程。研究表明：隨著對流馬赫數(shù)的增加，混合層的擾動增長率降低，可壓縮效應增強，流場中出現(xiàn)復雜的渦一激波干擾結構。另一方面，密度分層對混合層的發(fā)展演化影響也很大，混合層的擾動增長率隨著密度比的增大而降低。在雙組分混合層發(fā)展初期，可壓縮效應尤其是斜壓效應對旋渦的發(fā)展起主要影響作用。在發(fā)展后期，壓縮性影響減弱，渦量拉伸扭轉作用主要改變著旋渦動力學特征。