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第 17 卷 第 4 期 计 算 物 理 Vol. 17 ,No. 4
2000 年 7 月 CHIN ESE J OURNAL OF COMPU TA TIONAL PHYSICS J ul. , 2000
( )
[文章编号] 1001246X 2000
可压缩轴对称射流流场近区
的数值模拟
刘明宇 , 马延文 , 傅德薰
(LNM , 中国科学院力学研究所,北京 100080)
[摘 要] 采用高精度差分方法对二维轴对称可压缩射流流场进行了数值模拟 ,研究了大尺度涡
结构的形成和发展过程及其在射流发展过程中的作用 ,计算结果显示了射流失稳后首先出现
KelvinHelmholtz 非稳定特征 ,之后向下游发展的过程中 ,非线性效应的增长导致涡的配对和对并 ;
指出射流场中压力波动的分布是大尺度涡结构分布的直接结果。
[ 关键词] 射流 ;大尺度涡结构 ;迎风紧致格式 ;对称紧致格式 ;涡配对 ;涡对并
[ 中图分类号] O35 [文献标识码] A
0 引言
轴对称射流是一种典型的自由剪切流动 。长期以来 ,许多学者通过实验分析和数值计算
对其进行了大量的研究。六十年代在剪切层中发现大尺度的相干结构[1 ,2 ] ,极大地激发了人
们对各类剪切流动的研究兴趣。射流近区 ,即 10 倍于射流出口直径范围内的区域 ,也成为人
们关注的焦点。但是同平面混合层相比 ,射流的数值研究相对比较少 ,主要是因为射流发展的
早期阶段通常被认为和平面混合层具有相似的性质 ,平面混合层则被认为是更具有普遍意义
的范例;另外 ,一些算法如有限差分和谱方法在柱坐标上实现起来较为困难也是影响因素之
一。实验和数值研究已经指出[3 ] ,在射流剪切层中 ,当剪切层的厚度达到一定程度 ,形成大涡
核的涡环时 ,圆形射流的曲率对剪切流动将产生相当大的影响。
射流失稳的机理研究有着广泛的实际应用背景 ,如噪音产生、混合、燃烧稳定性等都与射
流的不稳定机制和大尺度结构的运动密切相关。射流噪音的试验表明[4 ] ,射流在 4~5 倍出口
直径范围内的区域 ,产生的噪音能量最大 ,然后急剧下降。这一阶段的射流正是处于涡形成和
涡发展时期 ,准确地了解这一阶段射流流场的性质 ,是认识射流噪音产生机理的基础。
本文的目的之一就是利用数值计算方法研究射流转捩初始阶段的流场特性。考虑到所研
究的物理问题是非定常、具有多尺度结构的复杂流场 ,文中采用高精度的差分方法 , 以五阶精
度的迎风紧致格式逼近 NS 方程的对流项 , 以六阶精度的对称紧致格式逼近粘性项, 时间的
导数项采用三阶的 RK 方法逼近[5 ] 。另一方面 ,本文将考察轴对称假设对数值计算结果的影
响。
[ 收稿日期] ; [ 修订日期]
( )
[ 作者简介] 刘明宇 1967~ ,男 ,河南泌阳 ,讲师 ,博士 ,主要从事计算流体力学方面的研究
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
342 计 算 物 理 第 17 卷
1 数值方法
11 控制方程
二维轴对称可压缩射流的控制方程采用柱坐标下的 NavierStokes 方程
U f 1 f 2 S 1 V 1 V 2 E
( )
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