竖直平板间自然对流的直接数值模拟及相干结构研究

• 作 者: 王明皓
• 机 构: 清华大学
• 出 处: 清华大学
• 发表日期: 2003年期
• 关键词: 相干结构 直接数值模拟 自然对流

湍流自然对流研究在理论、工程应用和实际生活中都有十分重要的意义。近几十年来，相干结构由于对能量输运等流动特性的重要作用，日益成为湍流研究的热点。本文在直接数值模拟计算结果的基础上，分析了竖直平板间自然对流的流场特性，统计了平均量的分布，并对流场中的大尺度相干结构和近壁区相干结构进行研究。
本文详细讨论了自然对流直接数值模拟的计算方法及其合理性。通过对基本变量时间和空间序列的谱分析，讨论了不同尺度流动的特性。其中，最大含能结构对应的特征时间约为0.01h2/κ，流向和展向的特征空间尺度约为2h。小尺度运动仍呈各向异性。
本文建立了流场统计平均性质的数据库，给出了流场中平均速度、温度、压力以及二阶矩和高阶矩的分布，通过与以往实验和数值计算相比较可知，所得平均场数据是可靠的。对二阶矩变量的输运方程各项进行了统计，并据此分析了该流动的能量输运规律。
对流场中大尺度相干结构的研究是本文的主要内容。在流场中央区域螺度较高的位置做流线，可以发现螺旋状的大尺度结构，这种结构普遍存在于流场中的不同瞬时和不同位置，空间尺度与板间距同量级，可以在2倍的大尺度特征时间内持续存在。该结构伴随有高的螺度以及剧烈的温度脉动，与流动方向倾斜。本文通过对结构在不同方向的解剖和连续时刻的跟踪，对这种结构的时空特性进行了详细分析。本文认为，这种螺旋形结构的产生与驱动流体运动的浮力有密切关系。对现有的特征值识别法的比较表明，速度梯度张量第四不变量η4和螺度H由于突出了涡拉伸过程，用于识别自然对流的螺旋结构相对比较成功。
研究表明，近壁区的相干结构主要有紧靠壁面的斑状结构和垂直于壁面的柱状突起结构，通过流线、脉动量的等值面和λ2、η4的等值面可以观察到这些结构的存在。这种浮力驱动湍流的近壁区相干结构与剪切驱动湍流具有明显不同。