论文题目: 湍流射流的大涡模拟及其动力学特性研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 水力学及河流动力学
作者: 关晖
导师: 吴锤结
关键词: 湍流射流,大涡模拟,并行计算,拟序结构,分析,湍流统计分析
文献来源: 河海大学
发表年度: 2005
论文摘要: 射流在工程中应用非常广泛，同时也是当前湍流研究中的热点问题，因此射流的研究具有很重要的理论价值和应用前景。在湍流射流中出现的大尺度拟序结构在湍流形成、卷吸和流体掺混过程中起到主导作用，了解其产生、发展、对并、破裂等动力学演化过程具有重要意义，并对湍流射流控制有重要指导作用。 本文综合运用湍流大涡模拟方法、湍流拟序结构理论和湍流统计理论对湍流射流中的大尺度拟序结构的动力学演化过程进行研究，开展了下列研究工作： 详细综述了湍流自由射流、湍流横向射流和湍流射流控制的研究现状，总结了到目前为止人们对湍流射流大尺度结构的基本认识，在此基础上提出了进一步研究的问题。 对本研究采用的湍流大涡模拟方法、可压缩湍流数值模拟算法、并行机群、POD方法和湍流统计分析方法等进行研究，得到了并行的湍流射流大涡模拟程序。 应用湍流大涡模拟方法得到Re数为15000、网格数为258×125×125、总容量达552GB的三个湍流椭圆射流数据库。通过对自由射流、流向和展向椭圆喷嘴的湍流横向射流大尺度结构的时空演化进行分析，揭示了湍流椭圆射流的基本涡结构。应用Snapshots-POD方法对湍流横向椭圆射流进行研究，对其湍流脉动速度场进行时间序列分析、频谱分析、PDF分析以及时、空截面上的统计平均特性分析。 研究结果表明：湍流椭圆自由射流的最显著特征是椭圆涡环的间歇产生、脱落，这些涡环一旦产生立即脱落。首次发现和提出了湍流横向椭圆射流的三维拉伸涡环模型，指出在其大尺度拟序结构中真正占主导作用的是拉伸、扭曲、沿流向扭动、展向摆动和绕x轴的转动的三维涡环，在众多实验和文献中观察到的反向涡对其实是由三维涡环头部组成。首次应用POD分析方法对上述数据库进行分析，得到湍流横向椭圆射流拟序结构的能量分布规律和各阶POD基的演化规律；应用湍流统计理论对上述数据库进行分析，揭示了湍流横向椭圆射流脉动速度的极为复杂的统计行为；加深了对湍流椭圆射流基本物理过程的非线性动力学机制的理解。 有待进一步研究的问题是：建立基于POD模的湍流射流低维动力系统，并对其进行分析；研究基于湍流射流低维动力系统的湍流射流控制；探讨湍流横向射流中涡环间歇脱落的物理机制。
论文目录:
目录
插图目录
第一章 绪论
1．1 湍流射流的应用背景
1．2 研究湍流射流的理论意义
1．3 湍流射流的研究综述
1．3．1 自由射流的研究现状
1．3．2 横向射流的研究动态
1．3．3 射流的控制
1．4 本文的研究目的和主要内容
第二章 研究方法概述
2．1 湍流大涡模拟方法
2．1．1 湍流大涡模拟的基本思想
2．1．2 滤波方法
2．1．3 亚网格模式
2．2 压缩计算流体力学的有限体积法
2．3 并行机群
2．4 湍流研究的POD方法
2．4．1 POD方法的优、缺点
2．4．2 POD方法的数学基础
2．4．3 POD方法在湍流拟序结构分析中的应用
2．5 湍流统计分析方法概述
2．5．1 湍流脉动速度场的概率密度分布
2．5．2 湍流流场变量的截面平均统计分析
2．6 本章小结
第三章 自由湍流射流数值模拟研究
3．1 流动参数与初始条件、边界条件设定
3．1．1 流动参数
3．1．2 初始条件与边界条件
3．2 大尺度结构的时空演化
3．3 三维涡线的时、空演化
3．4 POD分析
3．4．1 POD基的能量分布
3．4．2 POD基几何形态分析
3．5 本章小结
第四章 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流数值模拟研究
4．1 流动参数与初始条件、边界条件设定
4．1．1 流动参数
4．1．2 初始条件与边界条件
4．2 大尺度结构的时空演化
4．2．1 等涡量面分析
4．2．2 二维涡量场截面与小尺度涡结构分析
4．2．3 三维涡线的时、空演化
4．2．4 三维密度场及射流掺混
4．2．5 大尺度涡结构的三维涡环模型
4．3 平均流特性分析
4．4 POD分析
4．4．1 POD基的能量分布
4．4．2 POD基几何形态分析
4．5 统计分析
4．5．1 时间序列与功率谱分析
4．5．2 脉动速度场的概率密度分布
4．5．3 截面上的统计平均分析
4．6 本章小结
第五章 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流数值模拟研究
5．1 流动参数与初始条件、边界条件设定
5．1．1 流动参数
5．1．2 初始条件与边界条件
5．2 大尺度结构的时空演化
5．2．1 等涡量面分析
5．2．2 二维涡量场截面与小尺度涡结构分析
5．2．3 三维涡线时空演化
5．2．4 三维密度场及射流掺混分析
5．2．5 大尺度涡结构的三维涡环模型
5．3 平均流特性分析
5．4 POD分析
5．4．1 POD基的能量分布
5．4．2 POD基几何形态分析
5．5 统计分析
5．5．1 时间序列与功率谱分析
5．5．2 脉动速度场的概率密度分布
5．5．3 截面上的统计平均分析
5．6 本章小结
第六章 总结与展望
6．1 本文总结
6．2 进一步研究方向
参考文献
致谢
附录A 攻读博士学位期间的科研工作和论文发表情况
索引
插图
1．1 瞬时展向涡量ω_z
1．2 ω_z的等值面，(浅灰-正向；黑色-反向)
1．3 三维旋拧射流流场：T=400；T=600；T=900)
1．4 横向射流大尺度涡结构示意图
1．5 横向射流中轴截面流动显示图
1．6 横向射流中小尺度旋涡结构的形成机制
1．7 横向射流的激光诱导荧光流动显示
1．8 横向射流中的三维手柄状涡结构
1．9 横向射流出口处的涡结构
1．10 横向射流尾流中的涡结构
1．11 横向射流中的涡丝演化过程的侧视图
1．12 横向射流中反向旋转涡对中外流的卷吸过程
1．13 射流的分叉，Re=4300：(左)分叉平面图；(右)分叉中心剖面图
1．14 射流的扩散，Re=4300：(左)侧面图；(右)俯视图
1．15 长方形出口射流中的涡环分叉现象
1．16 低长宽比矩形射流中的涡环与涡辫之间的相互作用
1．17 不同控制下的横向射流比较
2．1 解放军理工大学流体力学研究中心并行机群
3．1 自由射流示意图
3．2 湍流自由椭圆射流的涡量演化过程(中轴面)
3．3 湍流自由椭圆射流的等涡量面及密度演化过程
3．4 湍流自由椭圆射流的三维涡环及等涡量面演化过程
3．5 湍流自由椭圆射流在不同基函数下的能量分布图
3．6 椭圆喷嘴的湍流自由射流速度场的POD基ξ~(30)、ξ~(50)、ξ~(75)和ξ~(150)
4．1 横向射流示意图
4．2 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流大尺度涡结构的等涡量面随时间演化
4．3 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流流动显示
4．4 横向射流中的三种非定常肾状和反肾状旋涡结构
4．5 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流的二维涡量截面图(x截面，t=29.01)
4．6 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流的二维涡量截面图(x截面，t=96.70)
4．7 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流的二维涡量截面图(z=7.00)
4．8 横向射流中轴截面流动显示实验结果
4．9 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流三维涡结构的局部细节
4．10 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流的三维涡线
4．11 Sykes等的横向射流三维涡环模型
4．12 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流的前缘近壁马蹄涡
4．13 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流的三维等密度面
4．14 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流平均流涡量场(红-正涡量，兰-负涡量)
4．15 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流在不同基函数下的能量分布图
4．16 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流第一、五个POD速度基ξ_(1，5)~N的比较(N=30，50，75，150)
4．17 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流速度场的POD基ξ~(75)
4．18 测点位置示意图
4．19 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度及其功率谱
4．20 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度的概率密度函数(PDF)
4．21 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流的湍流脉动速度的统计面平均值随时间的演化
4．22 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流的湍流强度的统计面平均值随时间的演化
4．23 流向椭圆喷嘴的湍流横向射流的偏离湍流应力的统计面平均值随时间的演化
5．1 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流大尺度涡结构的等涡量面随时间演化
5．2 流向与展向椭圆喷嘴湍流横向射流的进一步比较
5．3 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流的二维涡量截面图(x截面，t=29.01)
5．4 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流的二维涡量截面图(x截面，t=96.70)
5．5 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流的二维涡量截面图(x=7.00)
5．6 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流的三维涡线
5．7 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流的三维等密度面
5．8 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流平均流特性分析平均流涡量场(红-正涡量，兰-负涡量)
5．9 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流在不同基函数下的能量分布图
5．10 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流第一、五个POD速度基ξ_(1，5)~N的比较(N=30，50，75，150)
5．11 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流速度场的POD基ξ~(75)
5．12 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度及其功率谱
5．13 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度的概率密度函数(PDF)
5．14 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流的湍流脉动速度的统计面平均值随时间的演化
5．15 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流的湍流强度的统计面平均值随时间的演化
5．16 展向椭圆喷嘴的湍流横向射流的偏离湍流应力的统计面平均值随时间的演化
发布时间: 2005-04-25