近壁剪切流動(dòng)中湍斑及相干結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、該文采用高精度、高分辨率的數(shù)值方法研究湍斑及湍流相干結(jié)構(gòu)的生成和演化規(guī)律.文中發(fā)展了四階時(shí)間分裂法用于Navier-Stokes方程及其擾動(dòng)方程的時(shí)間離散;對(duì)分裂得出的關(guān)于壓力的Poisson方程和關(guān)于速度的Helmholtz方程,建立三維耦合四階緊致迎風(fēng)差分格式;這些格式適用于包括鄰近邊界點(diǎn)在內(nèi)的計(jì)算區(qū)域,克服了三維各自用四階中心差分格式離散不適用于邊界鄰域的困難,并提高了穩(wěn)定性和分辨率,用這些格式分別組成了數(shù)值求解Navier-St

2、okes方程及其擾動(dòng)方程的高精度、高分辨率的緊致差分方程組,為湍斑及湍流相干結(jié)構(gòu)的研究提供了有效的數(shù)值方法.建立了以壁面脈沖為初始擾動(dòng)的湍斑數(shù)學(xué)模型,并將導(dǎo)出的Navier-Stokes方程的緊致差分方程組應(yīng)用于槽道、明渠和平板邊界層等典型流動(dòng),提出了嚴(yán)格滿足Navier-Stokes方程的邊界條件.對(duì)邊界上的空間微分采用高階緊致差分格式離散,時(shí)間微分采用四階時(shí)間推進(jìn)處理,在交界處采用雙向差分平均法,保證了整個(gè)計(jì)算域上的流動(dòng)都滿足Nav

3、ier-Stokes方程,并具有高階精度.分別建立了適用于在槽道、明渠和平板邊界層流動(dòng)中直接模擬湍斑的數(shù)值方法,并精心設(shè)計(jì)了時(shí)間推進(jìn)、超松弛迭代和多重網(wǎng)格等高效算法,以提高計(jì)算效率.研究在不同雷諾數(shù)、網(wǎng)格和不同流動(dòng)中壁面擾動(dòng)的演化過(guò)程,分析近壁剪切流動(dòng)中湍斑的形成和發(fā)展機(jī)理,展示了近壁剪切流動(dòng)中湍斑的產(chǎn)生和發(fā)展與雷諾數(shù)、初始擾動(dòng)和速度剪切率等密切相關(guān).研究結(jié)果顯示出不同流動(dòng)的湍斑的特征和性質(zhì),并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.以共振三波和層-湍復(fù)合速度