湍流场中被动标量的细微结构

作     者：王子国 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柳朝晖;郑楚光

授予年度：2007年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：直接数值模拟 标量耗散率 应变张量 涡量 

摘      要：在湍流研究中,标量是相对流体的速度场而言的物理量,而被动标量是在对标量输运过程机理研究中理想化的对象,即在湍流对标量的输运过程中,标量本身不会对流场产生反作用影响。对被动标量场的研究是当前湍流研究中的一个热点,它一方面有助于加深对湍流问题本身的认识,另一方面,对于理解污染物的扩散机理、改进湍流燃烧模型等工程应用领域中的实际问题也有重要的意义。因为标量输运方程是线性方程,早期的研究者们普遍认为,标量的性质应该更为简单,标量场的统计结果只是从不同的侧面反映了湍流速度场的性质。然而,最近十几年的大量的实验测量、数值模拟和理论分析结果表明,标量场具有很多自身独特的性质,甚至有些性质并不依赖于速度场本身。这就促使人们对传统经典理论进行重新认识、修正或者提出新的理论来取代。 本文采用直接数值模拟方法,在具有平均标量梯度的均匀各向同性稳定湍流中,通过对欧拉统计量和拉格朗日统计量进行分析,来研究被动标量的小尺度结构特性及其如何受到湍流场中各因素的影响。湍流速度场采用了“Box模型,网格为963和1283。计算的Reλ为25和48,Pr数从0.3到4.0,平均标量梯度为1.0。对欧拉统计量的统计表明:高强度的标量耗散率的空间结构为间歇性分布的片状结构;这些高强度标量耗散的形成主要是由于应变张量的压缩作用的结果,而涡量对标量耗散率的直接影响比较弱,然而它可以通过破坏标量梯度与应变张量之间的耦合来抑制大强度标量耗散的产生;对拉格朗日统计量的分析表明,标量场比速度场具有更强烈的间歇性,强标量耗散的细微片状结构的形成时间尺度大约为10倍Kolmogorov时间尺度,在形成强标量耗散的细微片状结构过程中,应变强度随标量梯度同步增大,而涡量则先减小,后增大,并在5倍Kolmogorov时间尺度时达到最大。