湍流场协同模型及减阻应用

摘要

湍流流动中，由于各类阻力、摩擦的原因，流体在流动中机械耗散的增加逐步增强，从而导致流体流动过程中压降和速度的损失，产生过多的非必要损耗。本文从场协同理论出发对这一问题进行了研究，完成了以下主要工作。
　　1)根据不可压缩湍流流动的N-S方程、连续性方程，引入了雷诺平均和Favre平均，推导了不可压缩湍流场协同模型;在该模型的基础之上又引入了机械耗散函数这一基本概念以及变分法，进而推导出了不可压缩湍流场协同减阻的基本公式，定义了湍流流动中的场协同角以及完全协同流场的概念。
　　2)利用CFD方法，对建立的模型进行了验证。通过经典的后台阶流动计算案例，采用水这一不具有可压缩性的介质在湍流流动状态下进行了计算。加入编写的UDF程序，在基本流动计算结果的基础上进行场协同分析和计算，验证数学模型的可行性。
　　3)根据推导的场协同减阻模型以及计算的完全协同流场的结果，以完全协同流场的计算结果为优化的最终目标，尝试寻找一种优化流体流动的方式，减小流动阻力。根据协同流场的计算结果，对比流动流线和场协同角余弦值，提出根据近壁面流场流线来优化固体表面。以粘性耗散值作为对比参照值，以优化后的粘性耗散值和完全协同流场的粘性耗散值之差为优化收敛的参考。逐步对后台阶流动的结构进行优化。
　　4)最后，通过两种优化方法的对比分析，说明了场协同减阻优化的优点和合理性，并对场协同减阻方面今后的研究方向给以了分析和说明。