湍流射流的大渦模擬及其動力學特性研究.pdf

1、射流在工程中應用非常廣泛,同時也是當前湍流研究中的熱點問題,因此射流的研究具有很重要的理論價值和應用前景.在湍流射流中出現的大尺度擬序結構在湍流形成、卷吸和流體摻混過程中起到主導作用,了解其產生、發(fā)展、對并、破裂等動力學演化過程具有重要意義,并對湍流射流控制有重要指導作用.本文綜合運用湍流大渦模擬方法、湍流擬序結構理論和湍流統計理論對湍流射流中的大尺度擬序結構的動力學演化過程進行研究,開展了下列研究工作:詳細綜述了湍流自由射流、湍流橫向

2、射流和湍流射流控制的研究現狀、總結了到目前為止人們對湍流射流大尺度結構的基本認識,在此基礎上提出了進一步研究的問題.對本研究采用的湍流大渦模擬方法、可壓縮湍流數值模擬算法、并行機群、POD方法和湍流統計分析方法等進行研究,得到了并行的湍流射流大渦模擬程序.應用湍流大渦模擬方法得到Re數為15000、網格數為258×125×125、總容量達552GB的三個湍流橢圓射流數據庫.通過對自由射流、流向和展向橢圓噴嘴的湍流橫向射流大尺度結構的時空

3、演化進行分析,揭示了湍流橢圓射流的基本渦結構.應用Snapshots-POD方法對湍流橫向橢圓射流進行研究,對其湍流脈動速度場進行時間序列分析、頻譜分析、PDF分析以及時、空截面上的統計平均特性分析.研究結果表明:湍流橢圓自由射流的最顯著特征是橢圓渦環(huán)的間歇產生、脫落,這些渦環(huán)一旦產生立即脫落.首次發(fā)現和提出了湍流橫向橢圓射流的三維拉伸渦環(huán)模型,指出在其大尺度擬序結構中真正占主導作用的是拉伸、扭曲、沿流向扭動、展向擺動和繞x軸的轉動的三

4、維渦環(huán),在眾多實驗和文獻中觀察到的反向渦對其實是由三維渦環(huán)頭部組成.首次應用POD分析方法對上述數據庫進行分析,得到湍流橫向橢圓射流擬序結構的能量分布規(guī)律和各階POD基的演化規(guī)律;應用湍流統計理論對上述數據庫進行分析,揭示了湍流橫向橢圓射流脈動速度的極為復雜的統計行為;加深了對湍流橢圓射流基本物理過程的非線性動力學機制的理解.有待進一步研究的問題是:建立基于POD模的湍流射流低維動力系統,并對其進行分析;研究基于湍流射流低維動力系統的湍