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

1、為了考察由無(wú)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(gè)半球粗糙元誘導(dǎo)的邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程。為了討論重顆粒對(duì)邊界層流動(dòng)中的渦再生過(guò)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(shí)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(dòng)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(dòng)中的輸運(yùn)過(guò)程。一種多重直接力-內(nèi)嵌邊界方法被用于計(jì)算半球粗糙元表面對(duì)流場(chǎng)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(dòng)模擬提供了合理的入口速度邊界條件。顆粒計(jì)算中考慮了對(duì)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(jì)算。
　　 兩種粗糙Reynolds數(shù)Rek=332和550(對(duì)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(gè)不同流向位置的流向平均速度曲線和流向速度脈動(dòng)曲線與Klebanoff等人(1992)的實(shí)驗(yàn)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(guò)程，并證實(shí)在該流動(dòng)條件下，由半球粗糙元產(chǎn)生的擾動(dòng)在下游流場(chǎng)中確實(shí)經(jīng)歷了一個(gè)瞬態(tài)增長(zhǎng)過(guò)程。Rek=550的模擬結(jié)果顯示了流向渦和發(fā)夾渦的再生過(guò)程以及渦包的形成和增長(zhǎng)。
　　 在由半球粗糙元誘導(dǎo)的旁通轉(zhuǎn)捩平板邊界層流動(dòng)

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(jí)渦結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)捩邊界層流動(dòng)中的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程。響應(yīng)特性好的小慣性顆粒跟隨流體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(guò)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(duì)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(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)量不斷地由流體傳遞給顆粒，慣性較小的顆粒同時(shí)削弱了邊界層內(nèi)的原始發(fā)夾渦和各種次級(jí)渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。隨著慣性的增加，顆粒的“低通過(guò)濾(low-pass filter)”特性逐漸明顯。大慣性顆粒對(duì)轉(zhuǎn)捩邊界層流動(dòng)中的渦再生過(guò)程的影響主要通過(guò)削弱原始發(fā)夾渦所產(chǎn)生的掃過(guò)(sweep)和噴出(ejection)事件的強(qiáng)度來(lái)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(duì)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(guò)考察不同質(zhì)量載荷條件下的不同慣性顆粒的存在對(duì)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(duì)壁面摩擦阻力的影響是決定性的。同時(shí)，顆粒對(duì)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(dòng)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(dòng)發(fā)展成充分發(fā)展湍流狀態(tài)的重要影響