后台阶及方形钝体绕流湍流场数值模拟及PIV实验研究

摘要

分离再附流动是工程实际中一种非常普遍的流动现象,其中,以后台阶及方块钝体绕流为这种流动的典型代表。在放置有液压阀门的流道中、高层建筑物周围风场、桥梁的风载计算以及电路板的强制换热等常见的流动现象中均可以得到体现。因此对于后台阶及方形钝体绕流的研究具有着重要的实际意义。本文在相应的理论基础上,利用实验和数值模拟手段对其展开了一系列研究工作。
　　首先利用PIV粒子测速系统测量了实验装置来流断面的速度分布、速度的脉动特性以及边界层的相关参数。从测量结果可以看出,三个不同高度上的流向速度展向分布平均,中心流线上速度的湍流度基本小于6％,此结果验证了PIV对后台阶及方形钝体实验台二维测量的可行性。在此基础上对不同来流速度下的后台阶及方形钝体绕流流场的细节进行实验测量,并对实验结果进行后处理,得到了相应的时均参数,获得了各工况下的再附点位置。本文中六个工况均处在湍流状态,附着点长度与Re无关,基本保持在某一范围内浮动。测量得到的再附点长度与国内外学者利用不同手段得到的结果基本一致。采用统计分析的方法对测量数据进行整理,得到了涡量场、流向和法向速度分量脉动场、雷诺应力场的分布。从量化角度分析了流动能量的传递、耗散的过程。从结果中得到,剪切层在X/H>2.0的区域保持一定的厚度,说明在该区域内发生了强烈的非稳态混合现象。并且脉动的高强度区域主要集中在沿台阶前缘发展的流线附近,这个区域是整个流场中活动最激烈的部分。
　　采用大涡模拟与雷诺平均方法中的标准k-ε模型分别对后台阶及方形钝体绕流流场进行了非定常和定常的数值模拟,对流场中的速度分布、涡的形成进行了测量与显示。选取工况6的实验数据与数值模拟结果进行对比分析得出:大涡模拟方法对分离区域涡结构的计算结果比较精细,能够完全描述出旋涡的整个发展过程,而标准k-ε模型得到的结果却无法体现这一点。并且由三种方法得到的再附点位置的结果看出,大涡模拟计算的结果与实验结果更为接近。从这两方面就可体现大涡模拟在计算涡结构方面的优越性。此外对不同截面处雷诺平均-u’v’与湍动能k的大小进行对比分析,结果显示大涡模拟计算的结果与实验结果吻合性较好,可以证明利用大涡模拟方法对后台阶及方形钝体绕流流场进行二维计算的结果具有很高的可信度。论文的研究结果加深了对二维分离流流动特性的了解,并为湍流数值模拟提供标模验证平台。

目录

后台阶及方形钝体绕流湍流场数值模拟及PIV实验研究

NUMERICAL SIMULATION AND PIV UMERICAL SIMULATION AND PIV EXPERIMENTTAL RESEARCH OVER A BACKWARD-FACING STEP AND A SQUARE CYLINDER

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外的研究现状及分析

1.3 本课题主要研究内容

第2章 实验装置和流场测量技术

2.1 实验装置

2.2 PIV测量原理介绍

2.3 实验步骤

2.4本章小结

第3章 PIV测量结果分析

3.1 实验参数设定

3.2 后台阶绕流流场测量

3.3 方形钝体绕流流场测量

3.4 实验结果相关性分析

3.5 本章小结

第4章 数值模拟分析

4.1 数值模拟的基本理论及方法

4.2雷诺平均模型

4.3 大涡模拟方法

4.4 数值模拟结果与实验结果对比分析

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

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致 谢