隨著實驗及計算機技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)槽道紊流中蘊含著非常豐富的紊流相干結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)的生成及演化過程將有助于闡明紊流的物理本質(zhì),促進流體力學學科研究的深入發(fā)展,在大量的工程中亦將得到實際應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)強度法被廣泛應(yīng)用于提取紊流相干結(jié)構(gòu)中的渦旋結(jié)構(gòu),然而已有文獻普遍采用數(shù)值方法求解旋轉(zhuǎn)強度,未能給出旋轉(zhuǎn)強度的影響因素。此外,渦旋提取或采用二維旋轉(zhuǎn)強度或采用三維旋轉(zhuǎn)強度,兩者結(jié)果間可比性較差,且三個切面（XY、XZ及YZ）內(nèi)渦旋屬性的研究尚不完整。本文經(jīng)過推導給出了二維和三維旋轉(zhuǎn)強度的理論解,并將其應(yīng)用在:分析二維和三維旋轉(zhuǎn)強度的差異;研究時均剪切對渦旋識別的影響;對比DNS槽道紊流中二維和三維渦旋屬性在三個切面內(nèi)的差異;建立方腔槽道紊流相干結(jié)構(gòu)的唯象模型。主要結(jié)論如下:（1）推導得出二維和三維旋轉(zhuǎn)強度的理論關(guān)系式（2.13）,利用DNS槽道紊流數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出,二維旋轉(zhuǎn)強度、λcr3Dl及線變形率占三維旋轉(zhuǎn)強度的比重分別為84%、5%及11%。導致二維與三維旋轉(zhuǎn)強度差異的本質(zhì)原因為渦旋的傾角,統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)兩者比值與渦旋傾角間存在普適的正弦關(guān)系。（2）分別以存在垂向剪切的二、三維槽道紊流為例,推導得出時均剪切通過兩項影響了渦旋的識別。僅當渦旋旋轉(zhuǎn)平面與剪切平面一致、旋轉(zhuǎn)方向與剪切方向相反、時均剪切大于渦旋中心渦量的一半時,時均剪切才會影響到渦旋的識別,且此條件主要出現(xiàn)在y+<50的區(qū)域。（3）對比槽道內(nèi)三個切面（XY、YZ及XZ）的二維和三維渦旋屬性可知:二維旋轉(zhuǎn)強度會“破碎”三維旋轉(zhuǎn)強度場,導致三維渦旋的密度略小于二維渦旋,而三維渦旋的面內(nèi)半徑略大于二維渦旋,但三維渦管半徑小于二維渦旋半徑。渦旋與三個切面間的傾角主要為45°55°;由傾角與投影角的聯(lián)合概率密度分布可知,在近壁區(qū)內(nèi),渦旋方向具有規(guī)律性,隨著垂向距離的增大,渦旋方向變得隨機無序。（4）由于方腔的存在,槽道剪切層在導邊處發(fā)生分離,往下游運動發(fā)展的過程中,沖撞在隨邊、下游邊墻及方腔底部,導致了一系列復雜流態(tài)的產(chǎn)生。綜合時均環(huán)流、瞬時渦旋、雷諾應(yīng)力及POD模態(tài),建立了方腔槽道紊流相干結(jié)構(gòu)的唯象模型,可用于預測方腔內(nèi)污染物滯留及泥沙淤積的位置。

 

清華大學北京市211工程院校985工程院校教育部直屬院校

 

【學位級別】：博士

 

頁數(shù)：102

 

文章目錄

摘要

Abstract

第1章 引言

    1.1 研究的背景和意義

    1.2 槽道紊流相干結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

        1.2.1 壁面紊流相干結(jié)構(gòu)

        1.2.2 渦旋識別方法

        1.2.3 槽道紊流的渦旋屬性

    1.3 本文研究內(nèi)容

第2章 渦旋旋轉(zhuǎn)強度的理論解及應(yīng)用

    2.1 旋轉(zhuǎn)強度理論解

    2.2 二維與三維旋轉(zhuǎn)強度的分析

        2.2.1 DNS槽道數(shù)據(jù)簡介

        2.2.2 兩者的統(tǒng)計值比較

        2.2.3 兩者的代數(shù)關(guān)系

        2.2.4 兩者比值與渦旋傾角的關(guān)系

    2.3 時均剪切對渦識別的影響

        2.3.1 二維槽道及Oseen渦案例

        2.3.2 三維槽道及Burgers渦案例

        2.3.3 三維DNS槽道紊流數(shù)據(jù)驗證

    小結(jié)

第3章 槽道紊流中渦旋的數(shù)量和尺度

    3.1 術(shù)語定義及計算方法

        3.1.1 術(shù)語定義

        3.1.2 渦旋的密度及半徑

    3.2 渦旋的密度

        3.2.1 二維渦旋密度

        3.2.2 三維渦旋密度

    3.3 渦旋的半徑

        3.3.1 二維渦旋半徑

        3.3.2 三維渦旋半徑

    小結(jié)

第4章 槽道紊流中渦旋的方向

    4.1 術(shù)語定義及計算方法

    4.2 渦旋的方向

        4.2.1 傾角

        4.2.2 投影角

        4.2.3 傾角與投影角的JPDF

    4.3 Ω 形發(fā)夾渦模型

    小結(jié)

第5章 方腔槽道紊流相干結(jié)構(gòu)

    5.1 實驗系統(tǒng)及實驗條件

    5.2 多級窗口迭代的定網(wǎng)格圖像變形算法

    5.3 時均流場

    5.4 大尺度環(huán)流

    5.5 渦旋的空間分布

    5.6 POD分析

        5.6.1 主要含能模態(tài)

        5.6.2 含能模態(tài)的譜分析

    5.7 方腔槽道紊流相干結(jié)構(gòu)的唯象模型

    小結(jié)

第6章 結(jié)論與展望

    6.1 結(jié)論

    6.2 創(chuàng)新點

    6.3 展望

參考文獻

致謝

個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究

 

參考文獻

 

期刊論文

 

[1]明渠湍流橫向渦旋的尺度與環(huán)量特征[J]. 鐘強,陳啟剛,李丹勛,王興奎.  四川大學學報(工程科學版). 2013(S2)