基于旋流強(qiáng)度的亞格子模型及其在不可壓流動(dòng)大渦模擬中的應(yīng)用.pdf

1、大渦模擬(LES)能實(shí)現(xiàn)對(duì)非定常湍流流動(dòng)的精細(xì)模擬，優(yōu)于雷諾平均(RANS)，但是計(jì)算量較大。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算水平的提高，將LES用于實(shí)際工程是一種發(fā)展趨勢(shì)。LES的思想是采用低通濾波器對(duì)Navier-Stokes(NS)方程進(jìn)行過濾，僅對(duì)大尺度的渦進(jìn)行直接模擬，丟失的小尺度信息則采用亞格子模型來描述。根據(jù)亞格子尺度的不同特性，已經(jīng)發(fā)展出多種亞格子模型，但是目前的亞格子模型均沒有說明，在何種情況下，LES能夠直接過渡成直接數(shù)值模擬(DNS

2、)進(jìn)行計(jì)算。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，鑒于旋流強(qiáng)度能夠較好的反映旋渦特性，本文結(jié)合渦粘性假設(shè)，提出了一種基于旋流強(qiáng)度的亞格子模型。該模型具有當(dāng)?shù)責(zé)o旋渦時(shí)，湍流粘性系數(shù)自動(dòng)為零的特性。并將該模型用于低Re數(shù)和高Re數(shù)下不可壓的湍流方柱繞流和不可壓低湍流度的方腔流的模擬。此外，本文采用投影法離散控制方程，并對(duì)空間對(duì)流項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)了，使其達(dá)到了4階精度，并用于LES計(jì)算。
　　采用基于旋流強(qiáng)度的亞格子模型，對(duì)低Re數(shù)和高Re數(shù)下不可壓的湍流方柱繞

3、流模擬時(shí)，結(jié)果表明:
　　(1)在低Re數(shù)(Re∈[2,5×103,10×103])和高Re數(shù)(Re∈[1.25×105，3.5×105])下，St數(shù)均很明顯與Re數(shù)不相關(guān)，平均阻力系數(shù)CD也基本與Re數(shù)不相關(guān)，平均升力系數(shù)CL的平均值為0，與Re數(shù)無關(guān)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。但是，當(dāng)Re∈[1,0×103，2.5×103]時(shí)，平均阻力系數(shù)CD隨著Re的增大而增大。另外，在方柱繞流問題中，沒有出現(xiàn)類似圓柱繞流中的阻力危機(jī)臨界現(xiàn)象。

4、>　　(2) Re∈[1.25×105，3.5×105]時(shí)，歸一化的平均速度及速度脈動(dòng)分布受Re數(shù)影響較小，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符。
　　(3)vST的平均值與均方平均值均隨Re數(shù)的增大而增大，它的峰值一般出現(xiàn)在方柱下游渦相互作用比較強(qiáng)的2個(gè)區(qū)域內(nèi)。
　　(4) Komogorov微尺度分布顯示，近壁面的湍動(dòng)能耗散較強(qiáng)。湍流間歇因子(FSI)的等值面顯示在旋渦脫落的初始位置分成薄片狀的旋渦結(jié)構(gòu)，而在尾跡區(qū)則表現(xiàn)為很多相對(duì)較小的旋

5、渦結(jié)構(gòu)。
　　(5) t-z平均流場(chǎng)不沿著y=0.5對(duì)稱，導(dǎo)致頂部的面Nusselt數(shù)t-z平均值和底部的不同。
　　在方腔自然對(duì)流問題中，結(jié)果表明:
　　(1)通過壁面附近的溫度和速度分布及不同截面上的渦量分布可知，對(duì)方腔自然對(duì)流問題，在方腔的壁面附近會(huì)形成較大的氣體環(huán)流帶，伴隨著壁面附近的環(huán)流，在壁面環(huán)流與方腔的核心區(qū)之間形成了一些與壁面環(huán)流方向相反的旋渦，在方腔的左上角與右下角將出現(xiàn)較多、較復(fù)雜的細(xì)小旋渦結(jié)構(gòu)。<

6、br>　　(2) Ra=1.58×109時(shí)，中平面上(z=0）水平中心線的速度分布與實(shí)驗(yàn)值在壁面最里層區(qū)域和方腔的核心區(qū)內(nèi)符合的較好，但水平中心線左側(cè)熱壁附近的平均速度最大值的計(jì)算值大于實(shí)驗(yàn)值。垂直中心線的速度與實(shí)驗(yàn)值符合得較好。中平面水平線上無量綱溫度的計(jì)算值略低于實(shí)驗(yàn)值，垂直中心線上的分布符合得較好。但是它們都會(huì)受到Ra數(shù)變化的影響。
　　(3) Ra=1.58×109時(shí)，u'和(☉)'與實(shí)驗(yàn)值符合得較好，而u'的計(jì)算值則明顯

7、被低估了，因而最后也導(dǎo)致熱壁附近的湍流剪切應(yīng)力被低估。隨著當(dāng)Ra數(shù)的增大，僅壁面環(huán)流的主流速度的脈動(dòng)獲得了加強(qiáng)，而垂直于壁面的速度的脈動(dòng)變化不明顯，溫度的脈動(dòng)也被抑制。
　　(4) Ra=1.58×109時(shí)，各面的Nusselt數(shù)與實(shí)驗(yàn)值符合得較好，與理論值相差小于8％。頂面的Nusselt數(shù)沿x方向逐漸增大，底面的Nusselt數(shù)沿x方向逐漸減小。左側(cè)熱壁的Nusselt數(shù)沿y方向逐漸減小，右側(cè)冷壁的Nusselt數(shù)沿y方向逐漸