微气泡流对平板湍流边界层拟序结构的影响

摘要

微气泡减阻是目前应用前景较好的一种减阻方式，它通过向湍流边界层中注入大量微小直径的气泡达到减阻的目的。然而，有关微气泡减阻的机理问题仍然没有清晰的结论。随着研究的深入，发现微气泡的存在会改变湍流边界层中的拟序结构，而拟序结构是湍流生成和维持的重要机制，也是产生高摩擦阻力的原因。本文便以此为切入点，通过微气泡和湍流边界层拟序结构的耦合分析，探究微气泡减阻的内在机理。
　　首先，针对平板湍流边界层入口条件难给定的问题，采用“绊线法”作为湍流边界层生成方式，利用这种方式计算了平板湍流边界层并分析了高摩擦阻力产生的原因。结果发现，计算结果能够准确识别低速条带、流向涡和发卡涡，边界层速度分布与脉动强度分布与理论值符合很好。通过对涡结构进行分析，发现湍流高摩擦阻力产生的原因在于流向涡和“猝发”引起的下扫运动。
　　其次，针对欧拉-拉格朗日和欧拉-欧拉两种微气泡计算模型，分别进行了计算和评价。结果发现：欧拉-拉格朗日模型在计算微小尺寸和多尺寸分布的微气泡方面占据优势，其可以得到每一个微气泡的运动轨迹、时间、速度等属性。欧拉-欧拉模型在计算大尺寸、变形、融合和破裂的微气泡方面有良好表现，可以得到微气泡内的流场，能够计算出变形、融合和破裂现象。造成两种方法差别的原因在于方程的性质和数量。
　　最后采用欧拉-拉格朗日模型计算了微气泡通入平板湍流边界层，对减阻机理做了探讨，结果发现：“猝发”现象是整个过程的核心，通过“猝发”，能量从平均运动传递给脉动运动，湍流获得能量得以产生和维持。底层和外层的流体通过“猝发”进行了交换，并因为互换时的高速下扫运动导致高摩擦阻力的出现。而微气泡的出现降低了“猝发”的频率，使得涡核心区强度减弱，湍动能降低。湍流获得的能量减少，湍流被抑制。底层和外层的流体交换被减弱，减少了外层流体高速下扫冲击壁面的频率和强度，其统计结果就是摩擦阻力的降低。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 主要内容

第2章 湍流与微气泡计算基本数值方法

2.1 引言

2.2 基本控制方程

2.3 大涡模拟基本原理

2.4 欧拉-欧拉多相流模型

2.5 欧拉-拉格朗日模型

2.6 本章小结

第3章 空间发展平板湍流边界层大涡模拟

3.1 引言

3.2 空间发展平板湍流边界层的生成

3.3 空间发展平板湍流边界层的拟序结构

3.4 湍流高摩擦阻力的形成机理

3.5 本章小结

第4章 微气泡流与平板湍流拟序结构耦合分析

4.1 引言

4.2 微气泡CFD计算方法及评价

4.3 微气泡流与平板湍流拟序结构的耦合作用

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢