湍流尾迹中动量和热量的输运特性及其能量耗散研究

论文摘要

钝体绕流广泛存在于航空,船舶,海洋开发,地面交通,建筑环境等诸多工业生产和社会生活领域中。因此,对钝体绕流的流动特性和流场结构进行深入研究具有非常重要的现实意义。圆柱绕流是钝体绕流的经典研究范式之一。流体流过圆柱分离时,剪切层交替脱落在圆柱后形成大尺度的拟序结构——卡门涡街。大尺度卡门涡结构对流场的动量和热量(被动标量)输运以及流场的小尺度特性都有非常显著的影响。在圆柱尾迹由近场到远场的演化过程中,展向的卡门涡和纵向的肋结构涡由强变弱,其对流场的影响也逐渐变化。本研究的主要内容均围绕湍流尾迹近场中大尺度涡结构对流场的动量和热量输运以及小尺度结构统计特征的影响而展开。本文研究了尾迹近场中涡量、动量和热量输运的三维结构。由于测量涡量本身非常困难,现有关于尾迹近场的文献中很少有涡量矢量的三个分量和温度脉动全部测得的实验研究,故关于尾迹近场三维涡量、动量和热量输运关系的研究报道非常有限。本研究中,通过4支X型热线和4支冷线的组合,实现了对圆柱尾迹中同一位置处速度矢量、涡量矢量、温度脉动、温度梯度矢量的同时测量。实验的测量位置位于圆柱下游10、20和40倍圆柱直径处的平均剪切平面内。基于自由来流速度和圆柱直径的雷诺数为Re=2.5×103。研究中采用改进的相平均方法将流场中大尺度拟序结构和剩余随机结构相分离。研究发现涡量对热量输运的影响在x/d=10和x/d=20或40有显著的差别。在x/d=10处,展向和流向涡对热量输运均有重要影响,而在x/d=20或40处,热量输运主要和展向涡相关,流向涡的作用体现在将小尺度热量从卡门涡向外扩散。在流场输运的三维特性方面,本研究表明当湍流动能和标量脉动能的输运方程中含展向速度的产生项被忽略时,即认为流场中的输运结构为二维时,湍流动能产生项和标量脉动能产生项在x/d=40处将会和基于三维数据的计算结果分别相差22%和13%。通过总结测得的流场的三维特征,本研究提出了描述尾迹中动量和热量输运的三维拓扑结构模型。该模型和文献中的二维结构模型相比,对流场中肋结构涡的描述更加详细,并且确认了卡门涡上游一侧在热量从卡门涡向外扩散过程具有重要作用,而不是像文献中二维模型只强调涡结构上游靠近中心线的区域。在明确流场结构的基础上,本文研究了湍流动能耗散率和温度耗散率在尾迹的空间分布。在本研究中可以同时测得湍流动能耗散率12个分量中的10个,以及温度耗散率的全部3个分量。基于尾迹中垂直于流向平面局部均匀的假设,由测得的速度脉动导数可以得到近似的瞬时湍动能耗散率。速度脉动的不同导数的能谱均显示流场的局部轴对称特性首先在高波数区域,即小尺度脉动中满足;在低波数区域,能谱与轴对称特性的偏离主要由大尺度卡门涡引起。研究还发现基于流向速度能谱在耗散区的普适性,Djenidi和Antonia提出的确定时均湍动能耗散率的方法在本研究中也适用,尽管本研究中流场小尺度结构的各向同性并不严格满足。在本研究流场中,能谱法确定湍动能耗散率的有效性符合Antonia等报道的结果,即Kolmogorov第一相似性假设的两个主要前提条件——足够大的湍流雷诺数和流场局部各向同性——并不需要非常严格的满足。本研究结果也表明涡量的能谱在验证第一相似性假设方面比速度能谱的灵敏度更高。相平均结果表明湍动能耗散率和温度耗散率均主要集中在卡门涡结构的内部,这一结果补充了Hussain和Hayakawa提出的尾迹近场拟序结构模型。在对温度场和速度场的不同尺度结构研究的基础上,本研究从能谱和物理结构两方面比较了温度场和输运速度场在不同尺度上的相似性。在小尺度方面,研究发现涡度拟能和温度耗散率的归一化能谱在x/d≥20时,在除了卡门涡对应波数之外的其他波数上基本相重合。在大尺度结构方面,流向速度脉动u和温度θ的能谱相似性要明显好于速度脉动矢量q和温度脉动θ之间的能谱相似性。这是由于流场中侧向速度脉动v具有非常高的拟序性。这一发现表明在当前研究的流场中,速度场和温度场在小尺度结构方面比大尺度结构有更好的相似性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 课题的研究现状
•   1.3 本课题的主要研究内容和研究方法
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 实验装置和相平均方法
• 第2章 动量和热量通量的输运特征及其三维拓扑结构
•   2.1 引言
•   2.2 时间平均速度场和温度场
•   2.3 相平均速度场和温度场
•     2.3.1 相平均涡量
•     2.3.2 涡量的输运
•     2.3.3 相平均速度和温度脉动
•   2.4 相平均动量通量和热量通量
•   2.5 湍流动能和温度脉动能的产生区域分布
•   2.6 动量和热量输运的三维拓扑结构
•   2.7 本章小结
• 第3章 湍动能耗散率的结构特征和空间分布
•   3.1 引言
•   3.2 实验装置
•   3.3 速度梯度的均方根值分布
•   3.4 基于能谱图方法对ε的估计
•   3.5 相平均湍动能耗散率
•     3.5.1 相平均?u/?y和?v/?x
•     3.5.2 相平均湍动能耗散率
•     3.5.3 湍动能耗散率的拟序结构贡献率
•     3.5.4 流场的拓扑结构模型
•   3.6 本章小结
• 第4章 温度耗散率的空间分布
•   4.1 引言
•   4.2 温度耗散率各分量之间的相关性
•   4.3 温度耗散率关于温度脉动的条件期望
•   4.4 温度耗散率与湍动能能耗散率和涡度拟能的相关性
•   4.5 温度场的拓扑结构
•     4.5.1 温度标量的混合
•     4.5.2 温度场拓扑特征
•   4.6 本章小结
• 第5章 温度场和速度场之间不同尺度的相似性
•   5.1 引言
•   5.2 涡度拟能和温度耗散率的相似性
•     5.2.1 涡度拟能和温度耗散率在谱空间的相似性
•     5.2.2 温度耗散率和涡度拟能的流场结构
•   5.3 湍能动和温度脉动能之间的相似性
•     5.3.1 湍能动和温度脉动能在谱空间的相似性
•     5.3.2 湍动能和温度脉动能的流场结构
•   5.4 湍动能和温度脉动能的联系
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈建钢

导师: 周裕

关键词: 湍流尾迹,被动标量,涡量,输运现象,能量耗散

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O357.5

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005364

总页数: 122

文件大小: 93164k