粘彈性流體各向同性湍流特性研究.pdf

1、添加劑湍流減阻技術(shù)對(duì)流體輸送系統(tǒng)的節(jié)能及輸送效率的提高有重要的應(yīng)用價(jià)值。自Toms湍流減阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)至今60多年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，但仍存在很多亟需解決的問題，如粘彈性流體湍流減阻機(jī)理和高雷諾數(shù)下粘彈性流體流動(dòng)大渦數(shù)值模擬等。
　　目前，粘彈性流體湍流減阻的研究工作主要集中在具有壁面效應(yīng)的槽道、管道及邊界層流動(dòng)。壁面的存在使得流動(dòng)具有不均勻性，因此不利于分析粘彈性流體分子微觀結(jié)構(gòu)與湍流結(jié)構(gòu)之間的相互作用。然而，粘彈

2、性流體各向同性湍流的研究卻能很好地解決上述問題，這主要是因?yàn)樵谠摿鲃?dòng)中不存在流動(dòng)剪切應(yīng)力，粘彈性流體的存在并不能改變流動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)量輸運(yùn)，但能夠改變從大尺度到小尺度間的能量傳遞規(guī)律。因此對(duì)粘性流體各向同性湍流的研究具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。
　　本文首先基于粘彈性流體各向同性湍流模型推導(dǎo)了其動(dòng)力學(xué)方程，通過對(duì)方程中各項(xiàng)分析研究了粘彈性流體的作用，并建立了粘彈性流體各向同性湍流直接數(shù)值模擬（DNS）程序。采用偽譜方法對(duì)粘彈性流體彈

3、性應(yīng)力修正的Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，而對(duì)于具有雙曲型特性的粘彈性流體分子變形率張量輸運(yùn)方程（FENE-P模型）的求解采用有限差分方法，并基于KT格式離散其對(duì)流項(xiàng)，從而保證了粘彈性流體分子變形率張量的對(duì)稱正定特性。
　　其次，對(duì)粘彈性流體衰減各向同性湍流 DNS結(jié)果進(jìn)行分析，主要從能量輸運(yùn)方程，分析流體粘彈性對(duì)流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)流體粘彈性的存在改變了經(jīng)典的湍動(dòng)能輸運(yùn)模式?；谡硰椥粤黧w分子微觀結(jié)構(gòu)與湍流結(jié)構(gòu)之間的能量轉(zhuǎn)

4、換譜很好地解釋了這一現(xiàn)象，提出了粘彈性流體衰減各向同性湍流的減阻定義表達(dá)式，并闡述了其物理意義。從渦結(jié)構(gòu)、擬渦能和變形能輸運(yùn)方程中的生成項(xiàng)與粘彈性流體的作用項(xiàng)之間的聯(lián)合概率密度函數(shù)，發(fā)現(xiàn)流體粘彈性的存在抑制了流動(dòng)中的渦結(jié)構(gòu)（尤其是小尺度渦結(jié)構(gòu)）。通過速度梯度偏斜因子解釋了粘彈性流體對(duì)流動(dòng)非線性及耗散率的影響，并基于不同尺度下的平坦因子和速度結(jié)構(gòu)函數(shù)的高階平坦因子解釋了小尺度間歇性受抑制的現(xiàn)象。根據(jù)速度梯度張量的Galilean不變量特性

5、分析了流動(dòng)中的幾何特性，即渦量場、流動(dòng)變形場和粘彈性流體分子變形場之間的關(guān)系?；跍u量、變形能和彈性能采樣平均擬渦能生成項(xiàng)等物理量，分析了流動(dòng)的非線性及擬渦能生成項(xiàng)等物理量和彈性能之間的關(guān)系。
　　最后，對(duì)粘彈性流體強(qiáng)迫各向同性湍流 DNS結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)速度梯度平坦因子及湍動(dòng)能等物理量隨時(shí)間的演化規(guī)律，可知本文外力場的施加方式是可行的。根據(jù)粘彈性流體分子微觀結(jié)構(gòu)與湍流結(jié)構(gòu)之間的能量轉(zhuǎn)換譜及二階徑向結(jié)構(gòu)函數(shù)，很好地解釋了流體粘彈

6、性的存在改變了經(jīng)典的湍動(dòng)能輸運(yùn)模式的現(xiàn)象，提出了粘彈性流體強(qiáng)迫各向同性湍流的減阻定義表達(dá)式，解釋了其物理意義。同時(shí)，通過對(duì)渦結(jié)構(gòu)和速度場本征正交分解結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)流體粘彈性抑制了小尺度渦結(jié)構(gòu)且使流動(dòng)更加規(guī)則，進(jìn)一步解釋了粘彈性流體的湍流減阻效果。速度偏導(dǎo)數(shù)的平坦因子和高階統(tǒng)計(jì)量的分析結(jié)果表明，流體粘彈性的存在抑制了小尺度間歇性，且擬渦能場（或渦量場）比變形場（或耗散率場）具有更強(qiáng)的間歇性?；谒俣忍荻葟埩康腉alilean不變量特性，