底部放置半球的槽道流尾迹衍化特性研究

论文摘要

湍流运动在自然界和工程问题中广泛存在,是流体力学的核心问题,具有很强的理论意义和应用背景。槽道湍流是典型的湍流运动形式,本文采用大涡模拟方法和PIV系统对底部放置半球的槽道湍流进行了数值模拟和实验测量研究。取得的主要结果如下:数值方面,本文采用基于OpenFOAM开源软件的大涡模拟方法对底部放置半球的槽道湍流进行了数值研究。通过改变初始条件,考察了不同雷诺数对槽道湍流统计特性和结构特性的影响,以及底部放置半球对流动各向异性的影响。研究表明,不同雷诺数条件下放置半球壁面的湍动能和耗散率有明显的变化,同时随着雷诺数的增加而变大。此外在半球后方呈现出复杂的涡结构。同时发现流动在展向呈现了十分明显的各向异性,各向异性特征明显的区域与涡结构活动剧烈的区域一致,同时雷诺应力具有较强的各向异性特征。实验方面,采用PIV系统对放置半球的槽道湍流进行了实验测量,研究了半球对湍流统计量和湍流结构的影响。研究表明,底部放置半球槽道的湍流统计量相较于没有放置半球的槽道,在相同进口条件下都会有所增加。同时,由于底部放置半球,在半球后方与没有放置半球的槽道相比出现十分复杂的涡结构。同时,将平均速度、脉动速度以及雷诺应力与实验结果进行比对分析,发现数值解与实验结果趋势基本一致。本文利用Hilbert-Huang变换对数值解的三个点进行分析。利用EMD模态分解了三个点的流向速度时间序列,并研究了分解后各内模函数IMF的间歇性和概率密度函数。在此基础上进一步研究了各模态的相干结构及其重构相干结构。此外,对Fourier频谱和Hilbert谱分析进行结果对比。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 引言

1.2 研究意义和背景

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要的研究方法

1.4.1 大涡数值模拟

1.4.2 Hilbert-Huang变换

1.5 本文的研究内容

第2章湍流数值模拟结果分析

2.1 数值模拟基础理论

2.1.1 湍流运动的基本方程

2.1.2 大涡数值模拟

2.1.3 OpenFOAM简介

2.2 基于OpenFOAM的底部放置半球槽道数值模拟分析

2.2.1 建立物理模型

2.2.2 模型和参数设置

2.2.3 网格处理

2.2.4 时间步长设置

2.3 结果的相似特性分析

2.3.1 算法验证

2.3.2 速度场分析

2.3.3 湍流强度和雷诺剪切应力

2.3.4 流向平均速度的空间演化

2.3.5 涡量场

2.3.6 湍动能和湍流耗散率

2.3.7 流场的各向异性特征

2.3.8 雷诺应力各向异性

2.4 本章小结

第3章实验测量技术与结果分析

3.1 槽道实验简介

3.2 PIV工作原理

3.3 PIV系统组件

3.4 矩形槽道实验结果与数值计算对比分析

3.4.1 实验流程

3.4.2 平均速度

3.4.3 脉动速度分布

3.4.4 雷诺应力

3.4.5 湍流结构分析

3.5 底部放置半球的槽道实验结果与数值计算对比分析

3.5.0 实验流程

3.5.1 平均速度

3.5.2 流向脉动速度分布

3.5.3 雷诺切应力分布

3.5.4 湍流结构分析

3.6 本章小结

第4章底部放置半球槽道湍流的HHT分析

4.1 HHT变化和Hilbert谱

4.1.1 经验模态分解

4.1.2 Hilbert谱分析

4.2 底部放置半球槽道的HHT变换及结果分析

4.2.1 速度时间序列EMD分解和间歇性分析

4.2.2 相干结构

4.2.3 Hilbert谱分析

4.3 本章小结

第5章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间所开展的科研项目和发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭宇飞

导师: 邱翔

关键词: 大涡模拟,涡结构,各向异性,变换

来源: 上海应用技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 上海应用技术大学

分类号: O357.5

DOI: 10.27801/d.cnki.gshyy.2019.000243

总页数: 64

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