湍流横向射流大尺度拟序结构及其统计特性研究.pdf

湍流横向射流大尺度拟序结构及其统计特性研究a 关 晖 吴锤结b (1．河海大学水利水电工程学院，南京，210098) (2．解放军理工大学理学院流体力学研究中心，南京，211101) 摘 要：采用大涡模拟方法数值模拟了流向椭圆喷嘴的湍流横向射流，重点 研究大尺度拟序结构的统计特性。结果表明：湍流横向射流的统计特性极为复 杂，并与其基本涡结构的演化过程密切相关。 关键词：湍流横向射流 拟序结构 大涡模拟 湍流统计分析 并行计算 1 引言 射流在工程中应用非常广泛，对其研究具有重要的理论价值和应用前景。在湍流射流 中出现的大尺度拟序结构在湍流形成、卷吸和流体掺混中起主导作用，并对其进行有效控 制有重要作用。 在横向射流中最重要的物理现象是存在大尺度反向涡对和其周围的前缘涡、后缘涡及 许多旋拧涡系，在其前部还有一个马蹄涡。New等[，，s]实验研究了椭圆横向射流。他们发 现在横向椭圆射流中由于反向涡对的存在使得涡环无法形成，而是直接由涡层变形和卷起 形成大尺度涡结构。 关晖和吴锤结E4,5]研究了湍流横向射流的大尺度涡结构模型及其POD分析。本文着 重研究湍流横向射流的统计特性。 2研究方法概述 2．1湍流大涡模拟的基本思想 在大涡模拟中，采用滤波函数将流动变量f(x，￡)分解成大、小尺度量f(x，￡)和／(z，￡)， f(x，￡)=f(x，￡)+厂7(z，￡) (2．0．1) 其中， 7 G(x，z7)，(z7，t)dx (2．0．2) 7(x，￡)一l 式中G(x，z 可得到大尺度f(x，￡)满足的大涡模拟方程 aUi a aP a2Ui a f UiUf——1 vii 1～—t_————————o一—r7I— j a二1巧 』D兆i～扎一巧呐 (2．o．3) l罢一o a 基金项目：国家自然科学基金项目；江苏自然科学基金(2003208) 6 Email：cjwu@jlonline．corn 12 必须对r巧建立模型进行模拟。大涡模拟的关键是给出正确的亚网格(SGS)模式。目前， 尺度变形率张量的乘积，即 lsf瓦 (2．0．4) 功一譬硪一--2v。鬲一一2c；A2 ~／2sdSo是如下大尺度应变率张量的模。 1 (2．。．5) a3 一So=矾1 zuii+瓦Ouj) Reynolds应力中对应于各向同性的部分可被包含在压力项中。 2．2湍流大涡模拟数值方法。 采用的湍流大涡模拟数值方法是基于三维笛卡尔坐标系下的可压缩有限体积算法。求 lD gorinsky亚网格模式，则得控制方程 f爱+去(刖一o t+O@j(pujui)=3 (2．0．6) {地O pj+南巧