存在半球粗糙元的發(fā)展平板邊界層流動中的顆粒輸運的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、為了考察由無尖銳邊緣三維粗糙元誘導(dǎo)的邊界層轉(zhuǎn)捩機(jī)理，本文采用基于有限差分的直接數(shù)值模擬方法模擬了兩種Reynolds數(shù)條件下，由置于光滑平板上的單個半球粗糙元誘導(dǎo)的邊界層轉(zhuǎn)捩過程。為了討論重顆粒對邊界層流動中的渦再生過程的影響，以及控制顆粒沉降和局部聚集的機(jī)理，本文同時使用直接數(shù)值模擬方法和Lagrange顆粒跟蹤方法模擬了密度為流體密度的2000倍的重顆粒在旁通轉(zhuǎn)捩平板邊界層流動中及在半球粗糙元影響下的中等Reynolds數(shù)發(fā)展湍流平

2、板邊界層流動中的輸運過程。一種多重直接力-內(nèi)嵌邊界方法被用于計算半球粗糙元表面對流場的作用。二維層流邊界層的直接數(shù)值模擬結(jié)果為三維轉(zhuǎn)捩邊界層流動模擬提供了合理的入口速度邊界條件。顆粒計算中考慮了對顆粒在壁面附近的沉降影響較大的滑移-剪切升力和滑移-旋轉(zhuǎn)升力。顆粒與固體壁面的碰撞使用硬球模型計算。
　　 兩種粗糙Reynolds數(shù)Rek=332和550(對應(yīng)的特征Reynolds數(shù)為Re=819和1157)條件下，轉(zhuǎn)捩邊界層直接數(shù)

3、值模擬得到的粗糙元下游的發(fā)夾渦脫落頻率，以及三個不同流向位置的流向平均速度曲線和流向速度脈動曲線與Klebanoff等人(1992)的實驗結(jié)果吻合的很好。在Rek=332條件下，模擬結(jié)果顯示了發(fā)夾渦在粗糙元下游的演化過程，并證實在該流動條件下，由半球粗糙元產(chǎn)生的擾動在下游流場中確實經(jīng)歷了一個瞬態(tài)增長過程。Rek=550的模擬結(jié)果顯示了流向渦和發(fā)夾渦的再生過程以及渦包的形成和增長。
　　 在由半球粗糙元誘導(dǎo)的旁通轉(zhuǎn)捩平板邊界層流動

4、(Rek=550)中，在不同質(zhì)量載荷條件下，不同慣性的顆粒都明顯地影響了原始發(fā)夾渦和次級渦結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)捩邊界層流動中的產(chǎn)生和發(fā)展過程。響應(yīng)特性好的小慣性顆粒跟隨流體運動到半球粗糙元下游的低壓區(qū)的上邊緣，妨礙了外層流體向低壓區(qū)內(nèi)的螺旋運動，因而這類顆粒能比慣性較大的顆粒更有效地阻止低壓區(qū)內(nèi)的渦量集中過程，從而阻止了發(fā)夾渦的產(chǎn)生。隨著慣性的增加，顆粒出現(xiàn)在低壓區(qū)內(nèi)的幾率增大。大慣性顆粒對發(fā)夾渦產(chǎn)生的影響更多的體現(xiàn)在其提高了低壓區(qū)內(nèi)的壓力。在跟隨

5、流體運動的過程中，通過動量不斷地由流體傳遞給顆粒，慣性較小的顆粒同時削弱了邊界層內(nèi)的原始發(fā)夾渦和各種次級渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。隨著慣性的增加，顆粒的“低通過濾(low-pass filter)”特性逐漸明顯。大慣性顆粒對轉(zhuǎn)捩邊界層流動中的渦再生過程的影響主要通過削弱原始發(fā)夾渦所產(chǎn)生的掃過(sweep)和噴出(ejection)事件的強(qiáng)度來體現(xiàn)。不同慣性的顆粒都趨向于聚集在應(yīng)力較集中的區(qū)域，而在渦量較大的區(qū)域出現(xiàn)的幾率較小。相對而言，小慣性顆粒的

6、局部聚集現(xiàn)象比大慣性顆粒的明顯，大慣性顆粒的在邊界層內(nèi)的法向分布主要由其慣性決定。通過考察不同質(zhì)量載荷條件下的不同慣性顆粒的存在對平板所受到的摩擦阻力的影響發(fā)現(xiàn)緊鄰壁面附近的區(qū)域出現(xiàn)的渦結(jié)構(gòu)對壁面摩擦阻力的影響是決定性的。同時，顆粒對壁面摩擦阻力的影響在局部區(qū)域較大，值得關(guān)注。
　　 中等Reynolds數(shù)(Re=5561)發(fā)展湍流邊界層流動的直接數(shù)值模擬結(jié)果表明足夠高的半球粗糙元是平板邊界層流動發(fā)展成充分發(fā)展湍流狀態(tài)的重要影響