分层流体中水下物体热尾流的数值研究

摘要

水下运动物体热尾迹研究是近年来热红外探潜技术研究的重点对象，国内外众多学者已通过实验、理论分析和数值模拟对水下航行器热尾流进行了大量研究, 主要侧重于尾流产生的机理、尾流尺度的计算以及尾流中各扰动项的分布规律等，对热尾流的发生和发展有了一些基础的认识。本文从计算流体力学和数值传热学相结合的角度，数值模拟二维圆柱和三维圆球绕流的热尾迹特征，结合上述研究热尾流已获得的普遍现象和规律，阐述了热尾迹的产生、发展和崩溃，并重点分析了热尾流的动力特性、涡旋形成与脱落、尾涡能量和结构特点及其对传热的影响。 首先建立了求解分层流体中物体热绕流的物理模型及数值处理方法，以原始变量Naivier-Stokes方程、能量方程作为数值求解物体热绕流的控制方程，运用VOF方法来追踪分层界面；并以封闭方腔内层流自然对流这个有基准解的经典问题为例，对该算法的数值有效性进行了初步的验证。 其次探讨了圆柱（球）绕流问题的计算域参数和人工边界条件，包括入流条件、出流条件及两个平行于来流方向的侧边界条件，提出了适合本文计算域的边界条件，并结合冷态场条件下的非定常圆柱绕流实例观察了涡旋形成与脱落的完整过程，得到了严格的Kármán涡街。 最后在流场层化情况下分别研究了低雷诺数纯强迫对流和混合对流绕圆柱、圆球流动及其对传热的影响，重点考察了各自情形下圆柱绕流的动力特性、尾涡结构和尾迹能量特征。同时对计算结果进行了分析，尤其是涡型结构特征、尾流的动力特性、能量和结构特点等，并将数值结果与已有的实验观察和理论分析比较，获得了较好的数值模拟效果。这些工作可以增加我们对不同因素影响下热流场涡型转变及对传热过程影响的理解。