基于PL-DDES湍流模型的流动与传热数值模拟研究

论文摘要

随着计算机的计算能力不断增强,数值模拟方法成为了湍流研究的重要方法。湍流模型中的联合RANS/LES方法因为综合了大涡模拟（LES）方法和雷诺时均NS（RANS）方法的优点而受到重视。本文旨在发展一种改进的联合RANS/LES湍流模型,以改善现有联合RANS/LES湍流模型存在的问题,即所改进的模型兼具改善网格诱导分离（GIS）问题和改善对数区偏差（LLM）问题以及具备较强的求解Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性的能力。以联合RANS/LES方法中应用最为广泛的延迟分离涡模拟（delayed detached-eddy simulation,DDES）作为研究对象;结合推导得到的求解控制函数、修正的屏蔽函数和新的截断长度尺度得到限制生成项的延迟分离涡模拟（PL-DDES模型）,并利用PL-DDES模型预测典型湍流问题对其性能加以评价;探讨PL-DDES模型联合定值湍流Pr数Prt=0.9在预测强制对流传热和混合对流传热方面的表现。具体研究内容和结论如下:（1）为改善GIS问题,本文根据屏蔽函数的屏蔽机理对其中的参数Cd1进行修正。零压力梯度平板边界层流动的模拟结果表明:屏蔽函数中参数Cd1取值14时,PL-DDES模型可以改善GIS问题。为得到影响改善LLM问题的机理,对比已有的SST DDES和IDDES模型,平板槽道的模拟结果揭示了PL-DDES模型因为得到合理的RANS区域而具备良好改善LLM问题的能力。（2）为了得到较强的求解KH不稳定性的能力,对截断长度尺度进行修正。为考察PL-DDES模型求解KH不稳定性的能力,模拟了后台阶流动,模拟结果揭示了增强求解KH不稳定性的能力的影响机理。相同网格下,对比SST IDDES模型,PL-DDES模型因为采用了更为合理的截断长度尺度0.2（ΔxΔyΔz）1/3而衰减湍流粘性更合理,致使其具备较强的求解KH不稳定性的能力。周期性山包流模拟证明PL-DDES模型具备预测较复杂的分离再附着流动的能力。（3）考察了不同截断长度尺度对模拟亚临界圆柱绕流和波浪圆柱绕流的影响机理。亚临界圆柱绕流和波浪圆柱绕流的模拟结果发现:由于PL-DDES模型采用的截断长度尺度小于SST DDES模型所采用的,导致PL-DDES模型可得到更小的湍流粘性,从而得到更合理的绕流不稳定性发生的位置和回流区长度;相比SST DDES模型,PL-DDES模型预测的绕流流动结构更为符合实验和LES结果。（4）探讨了PL-DDES模型联合定值湍流Pr数Prt=0.9在预测对流传热方面的表现。平板和波浪槽道内强制对流传热的模拟研究发现PL-DDES模型预测的温度分布不存在LLM问题,并且对复杂湍流传热同样具备良好的预测能力。运用PL-DDES模型探讨了浮力对圆筒槽道内流动与混合对流传热的影响。模拟结果揭示了Bo数对圆筒槽道内流场和温度场的影响规律:内热源不变情况下,流场受Bo数的影响大于温度场;外区域的物理量受Bo数的影响大于内区域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 湍流数值模拟方法概述
•     1.2.1 直接数值模拟
•     1.2.2 雷诺时均数值模拟
•     1.2.3 大涡模拟
•   1.3 联合RANS/LES湍流模型概述
•     1.3.1 非分区模型
•     1.3.2 分区模型
•     1.3.3 联合RANS/LES湍流模型小结
•   1.4 湍流Prandtl数概述
•   1.5 本文研究内容
• 第二章 限制生成项的DDES湍流模型的建立
•   2.1 PL-DDES湍流模型的建立
•     2.1.1 限制湍动能生成项
•     2.1.2 屏蔽函数的修正
•   2.2 平板槽道充分发展流
•     2.2.1 网格划分与模拟方法
• τ=550平板槽道流的结果对比'>    2.2.2 PL-DDES模型与DDES模型模拟Re_τ=550平板槽道流的结果对比
• τ数下平板槽道内充分发展流动模拟结果'>    2.2.3 不同Re_τ数下平板槽道内充分发展流动模拟结果
•   2.3 后台阶流动
•     2.3.1 网格划分与计算条件
•     2.3.2 结果与讨论
•   2.4 周期性山包流
•     2.4.1 网格划分与计算条件
•     2.4.2 结果与讨论
•   2.5 本章小结
• 第三章 基于限制生成项的DDES湍流模型钝体绕流模拟研究
• 0数圆柱绕流'>  3.1 亚临界Re₀数圆柱绕流
•     3.1.1 计算条件
•     3.1.2 结果与讨论
• 0数波浪圆柱绕流'>  3.2 亚临界Re₀数波浪圆柱绕流
•     3.2.1 计算条件
•     3.2.2 结果与讨论
•   3.3 本章小结
• t数强制对流传热模拟研究'>第四章 基于定值Pr_t数强制对流传热模拟研究
•   4.1 平板槽道充分发展流与强制对流传热模拟
•     4.1.1 计算条件
•     4.1.2 PL-DDES模型与IDDES模型的对比
• τ数结果与讨论'>    4.1.3 高Re_τ数结果与讨论
•   4.2 库埃特流动与强制对流传热模拟
•     4.2.1 计算条件
•     4.2.2 结果与讨论
•   4.3 波浪槽道流动与强制对流传热模拟
•     4.3.1 计算条件
•     4.3.2 PL-DDES模型与DDES模型的预测能力对比
• b数下速度场和温度场的对比'>    4.3.3 不同Re_b数下速度场和温度场的对比
•   4.4 本章小结
• 第五章 槽道内混合对流传热模拟研究
•   5.1 平板槽道内混合对流传热模拟
•     5.1.1 计算条件
•     5.1.2 各湍流模型模拟平板槽道内混合对流传热的评价
•     5.1.3 不同Ri数下结果与讨论
•   5.2 同轴圆筒槽道内混合对流传热模拟
•     5.2.1 计算条件
•     5.2.2 各湍流模型模拟同轴圆筒槽道流动的对比
•     5.2.3 基于PL-DDES模型混合对流传热模拟
•   5.3 本章小结
• 结论与展望
•   结论
•   本文创新点
•   展望
• 参考文献
• 附录 FLUENT UDFs程序代码
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 博士论文

作者: 丁普贤

导师: 汪双凤

关键词: 湍流模型,延迟分离涡模拟,对数区偏差,网格诱导分离,对流传热

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,动力工程

单位: 华南理工大学

分类号: O357.5;TK124

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.000088

总页数: 136

文件大小: 5330K

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