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1、。8 1 9 9 G 8中国科学技术大学U N I V E R S I T YO FS C I E N C EA N DT E C H N o L o G Yo FC H I N A硕士学位论文研究牛姓名：盔生随导师：熊2 垂刘叠生学科专、J k ：渔堡应鲎铆f 究方向：盐差选笪盔鲎论文题目：法向旋转槽道湍流及热传导的直接数值模拟中国科学技术大学力学和机械工程系二0 0 五年六月摘要摘要本文采糟壹接数傻模擞方法怼取阖鐾稽遂鞠带鑫由覆稽l l 耋豹法囊旋转演滚及热传导闯题进行了磺究，详缨地分析了系统旋转对固壁或自由面附近端流的增强或抑制作用以及对热传导的影响。由于法向旋转诱等酶辩氏力的作精形成震
2、商平骛流动，簸而在稽遥壁面附近上导致了震囱平均渡鹣剪甥终黑。建着旋转数的增加，联力撵发方肉平均速度单调减小，展向平均速度先增后减。在不同的旋转状态下，平均流剪切强度的改变致使近壁区三个方向湍流强度和雷诺应力发生变化，并且迸一步影响到流场和温度场熬交化。必了揭零旋转效反对装滚特牲潋及热转导鹳影确，对滚场瓣平均速度、平均温度、速度和温度的脉动量、湍流热通量和湍流结构进行了分析，研究发现科氏力在旋转流中的篥要作甩。在法淘旋转取圈熬稽邀湍流及热传导游蘧审，囊旋转数奔予0 歪0 6 霹，与展向逮度蛔关的湍流潮热缆计量随着旋转数的增大箍增强，丽其它的统计量则减弱；当旋转数大于0 6H 霸。湍流和热统计量都
3、短著减弱。同时，为了更好的了解旋转簸应对熟传鲁的澎确；还避一争对燕输运方程中篱番璜进行了研究，并对固壁爨避条豢结构的闲踅| 程德转懋憝旋转数熬变位关系进纷了讨论。在带魍出蕊的旋转横道湍流和热传导问题中，还研究了固壁和自幽面对统计量的影响。由于自出面上没有剪切应力的存在，网壁和自由面附近的流动结构表现完全不同。关键诃：直接数值模拟湍流热通量法向旋转槽道湍流 耩予结槐A B S T l t A C TA B S T l 乙C TI nt h i st h e s i s ，t u r b u l e n tc h a n n e lf l o w sw i t hh e a tt r a n s
4、f e ra r ei n v e s t i g a t e db yu s eo f d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( D N S ) T w ot y p i c a lp r o b l e m sa r ec o n s i d e r e d ，i n c l u d i n gw a l l - n o r m a lr o t a t i n gt w o - w a l l e dc h a n n e lf l o ww i 也h e a tt r a n s f e ra n dv e r t i c a
5、lr o t a t i n go p e n - c h a n n e lf l o ww i t hh e a tt r a n s f e r 司岫o b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi st or e v e a lt h ee f f e c t so fr o t m i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i C So ft u r b u l e n tf l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h ev i c i n i t yo f w a l la n df r e
6、 es u r f a c e I nt h en o r m a l - r o t a t i n gt u r b u l e n tc h a n n e lf l o w , e x t r as h e a re f f e c ti sp r o d u c e da tc h a r m e lw a l l sb y ，t h en o n - z e r os p a n w i s cm e a nf l o wd u et ot h eC o r i o l i sf o r c e 。W h e nt h er o t a t i o nn u m b e ri n
7、c r e a s e s ，t h em e a ns p a n w i s ev e l o c i t yf i r s t l yi n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e s ，w h i l et h es t r e a m w i s em e a nv e l o c i t yd e c r e a s e sm o n o t o n o u s l y S o m et y p i c a ls t a t i s t i c a lq u a n t i t i e s , i n c l u d i n gt h em
8、 e a nv e l o c i t y , t e m p e r a t u r ea n dt h e i rf l u c t u a t i o n s ，t u r b u l e n th e a tf l u x e s ，a n dt u r b t d e n c es t r u c t u r e s , a 托a n a l y z e di nd e t a i l B a s e do nt h ep r e s e n tc a l c u l a t e dr e s u l t s ，t w ot y p i c a lr o t a t i o nr e
9、 g i m e sa r ei d e n t i f i e d W h e n0 0 0 6 ，t h et u r b u l e n c ea n dt h e r m a ls t a t i s t i c sa r es u p p r e s s e ds i g n i f i c a n t l yb e c a u s et h eC o r i o l i sf o r c ee f f e c tp l a y sa s 毡d o m i n a t er o l ei nt h er o t a t i n gf l o w 露把d i f f e r e n t
10、c h a r a c t e r i s t i c so ft u r b u l e n tf l o wa n dh e a tt r a n s f e rn e a rt h ew a l la n df r e es u r f a c ea l ei n v e s t i g a t e dt oe l u c i d a t et h ee f f e c t so ft h ef r e es u r f a c ei nt h ev e r t i c a lr o t a t i n go p e n c h a n n e lf l o ww i t hh e a
11、tt r a n s f e r K e y w o r d s ：d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt u r b u l e n th e a tf l u x e sn o r m a l r o t a t i n gt u r b u l e n tc h a n n e lf l o wc o h e r e n ts t r u c t u r el I第一章绪论第一章绪论S 1 1 湍流简介自然界存在着两种不同的流动形式，一种是层流，另一种是湍流。湍流既是流体运动最常见的基本形态，也是自然界最复杂的物理现象之一，在星际
12、空间、地球、大气、海洋江河、火箭尾流、燃烧反应乃至血液流动等自然现象和人类实践活动中几乎无处不在。湍流的研究不但具有重要的理论意义，其巨大的工程应用价值也是不言而喻的。为此，人类不遗余力的对湍流进行了一个多世纪的研究。自R e y n o l d s 提出湍流应力概念，T a y l o r 提出湍流统计理论，K o l m o g o r o v 提出局部均匀各项同性湍流理论，以及我国著名学者周培源提出剪切湍流的应力模式理论以来，人们对于认识湍流发生机理和湍流运动规律虽已取得了长足的进步，湍流在工程技术上的应用研究也取得了许多成绩，但是就其物理本质来说，对湍流的认识还远未完成，还有很多基本问
13、题尚未得到解决。应该说，人类离最终弄清湍流的本质和规律还需经历漫长的过程。由于湍流现象与航空航天、水利、气象、化工、建筑、交通、医学以及高能物理等众多的领域有关，湍流运动规律的研究成了与国家经济建设有重大关系的自然科学的基本问题之一。科学工作者对于湍流的系统研究自R e y n o l d s 在1 9 世纪末才开始。R e y n o l d s1 8 8 3 年在实验室罩对湍流进行了观察，得到了关于流动的一个重要参数，即雷诺数。从此，许多数学、物理学、力学和工程领域的科学家和工程师对湍流进行了持续不断的研究，虽然取得了不少成果，但是对于湍流到底是如何发生的，其发展变化行为等问题上，依然没有
14、什么实质性的进展。R e y n o l d s 曾定义湍流为“波动”，T a y l o r 和 C o nK a r m o n 则定义湍流为“不规则流动”，H i n z e 认为只提不规则运动不全面，“湍流的各个量在空间、时间上表现出具有随机性”，周培源则一贯主张湍流是一种不规则的涡旋运动。总之，关于湍流的描述可谓众说不一。H i n z e ( 1 9 7 5 ) 总结了湍流的基本特性，他对湍流的描述可以概述如下：( 1 ) 湍流是一种不规则的流体运动，其速度、压力等物理量随空间和时间不规则的变化；( 2 ) 湍流是一个交换过程，湍流输运的量级大于层流扩散的量级：( 3 ) 能量一般
15、由大涡向小涡传递；( 4 ) 湍流不完全是一个随机过程；对于湍流，科学家们提出了多种分类方法。比较而言，F e r z i g e r 的分类法较为简单和实用，为多数人所接受。他从剪切失稳导致湍流这一典型情况出发，将第一章绪论湍流分为：1 ) 均匀湍流：这种湍流在空问每一点都有同样的表述，它们随着时间演化。这是一种理想化的湍流模型，常用于对湍流机制的研究中。2 1 自由剪切湍流：众所周知，自由剪切流极不稳定。喷流和尾迹属于自由剪切层一类的流动，其剪切强度沿流动方向减弱，同时流场尺度增大，并伴随着湍流的衰变过程。3 ) N 壁湍流：固壁湍流是实际中最常见的一类湍流，具有许多重要的工程应用，因此也
16、是研究最多的一个领域。在固壁湍流中，工程上应用最广的是湍流边界层。对这类流动，人们己进行过很多讨论，早已能够测量这种流动的平均速度剖面，并且在某种意义和一定程度上可以预测这种湍流的行为。湍流边界层中动量从外界传输到壁面的物理机制与流动结构有关。在近壁区，可以观察到流动包含低速和高速的相干条纹，这些条纹的尺度在流向相当长，而在展向则很窄( M o i n &K i m ，1 9 8 2 ) ，并沿展向交替排列。这些条纹的存在及其在流动中的行为对于正确构造固壁湍流模型十分重要。壁面附近的流体质点在粘性剪应力和湍流剪应力的作用下，不仅沿流动方向发生脉动，而且由于压力脉动的耦合，沿法向也存在着湍流运动。随着与壁面间距离的增大，两种剪应力对运动的影响发生相对变化：粘性剪应力的影响逐渐减小，而湍流剪应力的作用不断增强。因而，在流场中形成了不同特征的流动区域。湍流边界层一般出三层组成：内层以粘性作用为主，称为粘性底层，此层的厚度取决于剪应力，与边界层厚度相比很小；流动的外部区域基本上是无粘的，其行为很像自由剪切流；在这两个区域之间，由于平均速度具有对数剖面，因此被称
