可壓縮湍流邊界層統(tǒng)計(jì)特性的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、可壓縮湍流邊界層的研究在流動(dòng)物理和工程應(yīng)用中都具有重要意義。本文采用直接數(shù)值模擬方法研究了可壓縮湍流邊界層的擬序結(jié)構(gòu)、流動(dòng)拓?fù)湟约皯?yīng)變與渦量相互作用的統(tǒng)計(jì)特性，并討論了來(lái)流馬赫數(shù)和入射斜激波對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)特性的影響。
　　 主要工作和研究成果如下：
　　 (1)研究了可壓縮湍流邊界層擬序結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)特性。兩點(diǎn)相關(guān)性分析證實(shí)了擬序結(jié)構(gòu)主要由不對(duì)稱的發(fā)卡渦組成；沿著法向，它的流向長(zhǎng)度以及與壁面的夾角逐漸增大，這與不可壓縮湍流邊界層

2、相似。渦量的相關(guān)性分析定量地給出了渦結(jié)構(gòu)的投影角，結(jié)果表明渦結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)離壁面的過程中逐漸趨向流向。
　　 (2)研究了可壓縮湍流邊界層在速度梯度張量不變量空間的流動(dòng)拓?fù)?。研究表明，可壓縮湍流邊界層內(nèi)層主要由徑向膨脹、軸向壓縮的渦結(jié)構(gòu)(UFC)組成，外層主要是不穩(wěn)定的應(yīng)變占優(yōu)區(qū)域(UN/S/S)；耗散和耗散生成主要來(lái)源于UN/S/S；擬渦能主要來(lái)自于徑向和軸向都膨脹的渦結(jié)構(gòu)(UFS)；擬渦能生成在內(nèi)層由UN/S/S 主導(dǎo)，在外層由U

3、FS 主導(dǎo)。通過考察速度梯度張量不變量在不可壓縮區(qū)、壓縮區(qū)和膨脹區(qū)的分布，詳細(xì)研究了可壓縮性對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)特性的影響。與不可壓縮區(qū)相比，壓縮區(qū)的流體通常更穩(wěn)定，流場(chǎng)中UFC的數(shù)目減少；膨脹區(qū)的流體通常更不穩(wěn)定，流場(chǎng)中徑向收縮、軸向拉伸的渦結(jié)構(gòu)(SFS)數(shù)目減少。流體的壓縮會(huì)減弱UFC的擬渦能，增大其耗散、耗散生成率和擬渦能生成率；流體的膨脹會(huì)減弱SFS的擬渦能，增大其耗散、耗散生成率以及它在內(nèi)層的擬渦能生成率。旋轉(zhuǎn)率張量和應(yīng)變率張量第二不變

4、量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，可壓縮性會(huì)增強(qiáng)湍流的耗散，流體膨脹時(shí)通常比壓縮時(shí)耗散更強(qiáng)。應(yīng)變率張量第二、第三不變量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)：粘性底層主要由片狀結(jié)構(gòu)組成，流場(chǎng)中片狀結(jié)構(gòu)比管狀結(jié)構(gòu)更常見。
　　 (3)研究了可壓縮湍流邊界層中應(yīng)變與渦量的相互作用特性，系統(tǒng)地分析了渦量和主應(yīng)變率的幾何關(guān)系、擬渦能和耗散的輸運(yùn)過程、不同流動(dòng)拓?fù)涞臄M渦能生成大小以及擬渦能生成區(qū)的結(jié)構(gòu)。研究表明，邊界層內(nèi)層所有流動(dòng)拓?fù)涞臏u量都往往垂直于主拉伸率，擬渦能生成

5、主要來(lái)源于不穩(wěn)定的應(yīng)變占優(yōu)區(qū)；
　　 邊界層外層，徑向收縮、軸向拉伸渦結(jié)構(gòu)的渦量往往平行于主拉伸率的方向，它貢獻(xiàn)了邊界層中大部分的擬渦能生成。擬渦能生成和耗散生成在邊界層內(nèi)層密切相關(guān)，擬渦能增強(qiáng)則耗散增強(qiáng)，擬渦能減弱則耗散減弱，并且擬渦能生成率的幅值越大，耗散生成率的幅值也越大。在邊界層外層，擬渦能增強(qiáng)時(shí)耗散通常會(huì)增強(qiáng)，擬渦能減弱時(shí)耗散的生成率往往較小。擬渦能生成區(qū)傾向于形成片狀結(jié)構(gòu)，并且具有強(qiáng)的彎曲強(qiáng)度；擬渦能減弱區(qū)在邊界層內(nèi)

6、層傾向于形成管狀結(jié)構(gòu)。
　　 (4)研究了來(lái)流馬赫數(shù)對(duì)湍流邊界層統(tǒng)計(jì)特性的影響，主要分析了M1 為2、4和6 時(shí)湍流邊界層流動(dòng)特征和速度梯度不變量的分布。研究表明，隨著馬赫數(shù)的增大，湍流強(qiáng)度減弱，湍流的內(nèi)間歇性增強(qiáng)，內(nèi)間歇出現(xiàn)的位置更靠近壁面。馬赫數(shù)越大，上噴對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)越大，湍動(dòng)能輸運(yùn)項(xiàng)的幅值也越大。馬赫數(shù)的增大還會(huì)導(dǎo)致耗散和擬渦能的增強(qiáng)，擬渦能生成率和耗散生成率的增大，以及脹量的幅值和平均脹量的增大。在速度梯度張量不變量

7、平面，馬赫數(shù)對(duì)流動(dòng)拓?fù)涞挠绊懞苄?，?lián)合概率密度的等值線呈現(xiàn)“淚珠狀”
　　 分布；隨著馬赫數(shù)的增大，徑向收縮、軸向拉伸的渦結(jié)構(gòu)對(duì)邊界層中耗散、擬渦能、耗散生成以及擬渦能生成的貢獻(xiàn)減小，徑向和軸向都膨脹的渦結(jié)構(gòu)對(duì)這些量的貢獻(xiàn)增大。
　　 (5)研究了入射斜激波對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)特性的影響。在激波與湍流邊界層相互作用的區(qū)域，近壁處的擬渦能和耗散明顯減弱；遠(yuǎn)離壁面處擬渦能和耗散增強(qiáng)，擬渦能生成率和耗散生成率顯著增大。在激波作用的下游，