2012年计算流体动力学及其应用
把这个特殊的问题研究文章|开放获取
刘超群解释道,平路,林,陈会昌燕, ”<年代pan class="adjust-article-svg-size">新理论在边界层转捩和湍流的形成年代pan>”,建模和模拟在工程我>, 卷。2012年, 文章的ID619419年, 22 页面, 2012年。 https://doi.org/10.1155/2012/619419
新理论在边界层转捩和湍流的形成
文摘
本文是一个简短的回顾我们最近的DNS的工作在湍流边界层转捩和物理学。基于DNS的观察,我们提出一个新理论在边界层转捩,五个步骤,即接受,线性不稳定,大涡结构的形成,小长度尺度的一代,对称和随机扰动的损失。湍流生成和维持,经典理论,描述了理查森的能源梯级和柯尔莫哥洛夫长度尺度,没有观察到我们的DNS。我们提出了一种新的理论在动荡的一代,所有小长度尺度是由“剪切层不稳定”通过多个水平抛射和清洁工和顺向多个正面和负面的峰值水平,但不是通过“漩涡崩溃。“我们相信“剪切层不稳定”是“母亲的动荡。“大漩涡的能量转移小漩涡是由多个水平扫描,但并不遵循柯尔莫哥洛夫的理论大漩涡将能量传递给小公司通过涡拉伸和崩溃。对称的损失从第二层次环周期中间的流场和扩散边界层的底部,然后整个流场。
<年代pan class="end-abs">1。介绍
这些评论显然表明,湍流的形成和维持机制的研究仍然是一个谜。注意,海森堡和羊肉都是湍流研究并不乐观。
1.1。湍流是一个谜
动荡在本质上仍然是由一个神秘的面纱后一个多世纪的集中强化学习。以下评论是由维基网页http://en.wikipedia.org/wiki/Turbulence“诺贝尔奖获得者理查德·费曼动荡形容为“经典物理学最重要的尚未解决的问题”(《今日美国》2006)。根据一个杜撰的故事,海森堡(另一个诺贝尔奖获得者)被问及他会问上帝,有机会。他的回答是“当我遇到上帝,我要问他两个问题:为什么相对论?为什么动荡?我真的相信他会有一个答案。“(1]。HoraceLamb援引的一次演讲中,英国科学促进协会,“现在我是一个老人,我死的时候,去天堂上有两个问题我希望启蒙。一个是量子电动力学,另一种是液体的湍动。和前我很乐观”2,3]。
1.2。理查森的涡和能量级联理论(1928)
理查森认为湍流是由大小不同的“漩涡”。大漩涡将拉伸,不稳定,打破小漩涡。这些小漩涡经历相同的过程,导致更小的涡流。这个过程将持续下去,直到达到足够小的长度范围内,液体的粘度可以有效动能成内部能量消散。在涡破裂的过程中,最初的动能大涡分为较小的漩涡。
1.3。柯尔莫哥洛夫假设(1941)
动荡是由柯尔莫哥洛夫的经典理论,一个著名的俄罗斯数学家。一般来说,大尺度的流动不是各向同性的,因为它们是由特定的边界条件。同意理查森,柯尔莫哥洛夫认为,理查森的能量级联,这个几何和定向信息丢失而规模减少,小尺度的统计数据有一个通用的个性,在统计上各向同性湍流流动雷诺数足够高时。假设没有耗散能量传递过程中从大型小型涡涡涡破裂。”
1.4。Kolmogorvo的第一和第二假设(1941)
基于他的假设,柯尔莫哥洛夫(6,7]进一步给了非常著名的理论长度最小的规模,这是后来被称为柯尔莫哥洛夫(第一个假设),规模和湍流能量谱(第二个假设):<年代pan class="equation" id="eq1">
在那里,<年代vg height="9.875" id="M2" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.9375px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.9375 9.875" width="7.9375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
如果所有的小漩涡所产生的“剪切层不稳定”而不是“涡破裂”,柯尔莫哥洛夫的第一个假说将失去的背景。最小的长度尺度将有关稳定性的最弱不稳定的“剪切层”。这将需要一个深入研究的“剪切层不稳定”不仅是“空间分析”。
1.5。短的回顾研究边界层转捩
过渡过程从层流到湍流边界层是现代流体力学的一个基本科学问题。经过一百多年的研究流过渡,流的线性和弱非线性阶段过渡很好理解(10,11]。然而,对于后期非线性过渡阶段,仍有许多遗留问题研究[4,12- - - - - -16]。艾德里安(17壁湍流)描述发夹涡组织,但没有讨论扫描和弹射事件和剪切层不稳定的作用。吴和Moin18]报道一个新的DNS平板流过渡。他们获得充分发展湍流结构的森林的环状的漩涡流过渡在零压力梯度。然而,他们没有给已故的流动机制转变。边界层转捩的重要机制,如清洁工,抛射,和积极的峰值不能发现从纸上。最近,郭et al。19)进行了一项实验研究晚边界层转捩的更多细节。他们得出的结论是,u型涡是一个筒状的头波,引起的二次涡,第二个清洁工和积极的峰值。
为了深入了解后期流动机制过渡湍流边界层与物理,我们最近进行了高阶直接数值模拟(DNS)和1920×241×128准备点约600000时间步研究的后期阶段流动机制过渡的边界层在自由流马赫数0.5 [20.- - - - - -32]。支持的工作是AFOSR, UTA TACC和NSF Teragrid。许多新的观察结果和新的机制显示边界层转捩年末(LBLT)包括:<年代pan class="list">(我)年代pan>机制在二、三级涡的形成;年代pan>(2)年代pan>机制在第一次环状涡的形成;年代pan>(3)年代pan>在第二次扫描形成机制;年代pan>(iv)年代pan>机制高度共享层的形成;年代pan>(v)年代pan>机制积极高峰的形成;年代pan>(vi)年代pan>在多个环的形成机制;年代pan>(七)年代pan>机制u型涡的形成;年代pan>(八)年代pan>长度小漩涡生成机制;年代pan>(第九)年代pan>机制在多个水平高剪切层的形成;年代pan>(x)年代pan>能量传递路径的机制;年代pan>(十一)年代pan>机制对称损失或所谓的“流随机化;”年代pan>(十二)年代pan>在湍流边界层增厚机理;年代pan>(十三)年代pan>高表面摩擦的湍流流动机制。年代pan>
一个<年代vg height="14.475" id="M13" style="vertical-align:-3.13504pt;width:14.675px;" version="1.1" viewbox="0 0 14.675 14.475" width="14.675" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
1.6。不同的物理观察到我们的高阶DNS
根据我们最近的DNS,“涡破裂”不是观察(24,29日,30.]。刘给了一个新的理论,涡破裂所产生的“动荡不但是剪切层不稳定”(24,30.,32]。刘认为,“剪切层不稳定”是“母亲的动荡。”
理查森的能源梯级和柯尔莫哥洛夫的假设“涡破裂”挑战,柯尔莫哥洛夫假设最小的漩涡是统计各向同性变得可疑。因为最小的漩涡产生的“剪切层不稳定”,这是身体的形状密切相关配置,不能各向同性。
1.7。问题在边界层转捩经典理论
经典理论,认为“涡破裂”的最后阶段在一个平板边界层转捩,挑战,“小发夹涡破裂结构”现象不是我们观察到新的DNS (24,27,28]。所谓的“峰值”实际上是一个multibridge或multiring形成的过程,这是一个相当稳定的大涡结构,可以旅行很长一段距离。
实验是相当昂贵和力量非常有限日期收购,直接数值模拟(DNS)成为一个越来越重要的工具,发现物理。这项工作的目的是找到物理湍流的直接数值模拟。本文的组织结构如下:部分1是一个背景审查;部分2显示了设置和代码验证;部分3是我们的观察和分析;部分4是我们新发现的总结;部分5的结论是根据我们最近的DNS。
1.8。刘新理论在边界层转捩
在边界层转捩经典理论可以描述四个阶段:(1)边界层接受;(2)线性不稳定;(3)非线性增长;(4)湍流涡破裂。很显然,我们不同意“湍流涡破裂的经典理论。“边界层转捩的新理论可以被描述为五个阶段:(1)边界层接受;(2)线性不稳定;(3)大涡结构的形成;(4)小漩涡一代;(5)对称损失和湍流的形成。 By the way, the vortex cascade in turbulence given by Richardson, Kolmogorov and others is not observed.
1.9。由刘新理论在湍流生成和维持
湍流的形成和维持的新理论可以描述如下。所有小长度尺度(湍流)是由剪切层不稳定产生的大涡结构与多个水平涡环,多个水平扫描和抛射,和多个水平层流子层附近的正面和负面的峰值。因此,“动荡”不是“涡破裂”产生的,而是积极的和消极的峰值和顺向高剪切层。“剪切层不稳定”被认为是“妈妈的动荡。“这种新理论可能给湍流生成和sustenance-the能量的普遍机制带来的大涡结构通过多个水平扫边界层。
2。情况下设置和代码验证
2.1。情况下设置
计算域显示在图1。网格级别是1920×128×241,代表网格数量的流向<年代vg height="13.45" id="M14" style="vertical-align:-2.21957pt;width:19.125px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.125 13.45" width="19.125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
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2.2。代码验证
DNS代码——“DNSUTA”已经被美国国家航空航天局兰利和验证UTA人员(24,32,34小心),以确保DNS结果是正确的。
2.2.1。与线性理论
图3比较的速度剖面<年代vg height="10.325" id="M35" style="vertical-align:-0.0pt;width:11.225px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.225 10.325" width="11.225" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(一)年代trong>
(b)年代trong>
2.2.2。网格收敛性
的皮肤摩擦系数计算时均和spanwise-averaged概要粗和细网格显示在图5。表面摩擦系数的空间演化的层流也绘制了比较。从这些数据观察,表面摩擦系数后发生的急剧增长<年代vg height="14.7875" id="M37" style="vertical-align:-3.13504pt;width:67.925003px;" version="1.1" viewbox="0 0 67.925003 14.7875" width="67.925003" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(一)粗网格(960×64×121)年代trong>
(b)细网格(1920×128×241)年代trong>
2.2.3。与日志法
时均和spanwise-averaged流向速度配置文件不同流向位置在两个不同的网格如图6。流入速度概要文件<年代vg height="14.6" id="M38" style="vertical-align:-3.13504pt;width:87.462502px;" version="1.1" viewbox="0 0 87.462502 14.6" width="87.462502" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(一)粗网格(960×64×121)年代trong>
(b)细网格(1920×128×241)年代trong>
2.2.4。光谱和雷诺应力(速度)统计数据
图7显示的光谱<年代vg height="7.1624999" id="M40" style="vertical-align:-0.11285pt;width:8.7250004px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.7250004 7.1624999" width="8.7250004" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(一)年代trong>
(b)年代trong>
图8显示了雷诺剪应力概要文件在不同流向位置,规范化墙剪切速度的平方。有10个流向位置的选择从前缘与后缘。正如所料,靠近入口<年代vg height="17.987499" id="M56" style="vertical-align:-3.21404pt;width:117.35px;" version="1.1" viewbox="0 0 117.35 17.987499" width="117.35" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
2.2.5。比较与其他DNS
尽管我们无法比较我们的DNS结果与由Borodulin et al。4定量,我们仍然可以发现剪切层结构在两个DNS计算图非常相似9。
(一)我们的DNS年代trong>
(b) Borodulin等。[4]年代trong>