连续分层流中潜体尾迹数值模拟方法研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:crazyinlove_2008
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由于太阳的热辐射及大洋盐热环流等因素,海洋通常是密度分层的流体,其密度、温度、盐度沿垂直方向有明显变化。潜体在密度分层中航行时,会形成特殊的尾迹特征,并引起自由面短重力波及表面张力波辐聚辐散,在自由面及自由面附近形成持续较长时间的小尺度或微尺度皱褶波纹。连续分层流体作为海洋中典型存在的一种分层形式,以其不同于均匀流的特殊形式成为研究的热点及难点,尤其在分层流动CFD模拟方面缺少简单有效的数值方法。本文基于CFD软件FLUENT探讨了基于多相流混合模型及温度异重流两种模型数值模拟分层流动的方法。以圆柱绕流为例,首次用LES方法数值模拟了基于两种方法的高傅汝德数下分层流动,对傅汝德数为0.88及1.77两种工况下的分层绕流尾迹进行了数值模拟,成功模拟出试验条件下对应傅汝德数下的尾迹特征;用RANS方法对傅汝德数为0.018、0.08及0.17三种工况下的分层绕流尾迹进行了数值模拟,并对傅汝德数为0.018的情形下的流场进行了上下游速度剖面定量描述,数值结果与试验结果符合得很好。由此基于两种方法分别建立了傅汝德数从低到高各个取值段模拟分层流动的数值方法。最后对两种方法进行了比较:基于多相流混合模型方法,通过对不同雷诺数及不同体积分数离散格式下尾迹流线特征进行分析,探讨了体积分数离散格式精度对结果的影响及在数值模拟过程中出现的假扩散现象;基于温度异重流方法,在理论上对其适用用于分层流动的条件进行了讨论,并且针对本文各工况,计算得出了适用于本文分层流动的最小佩克莱克数;选取不同数值时刻傅汝德数为0.17及1.77两种工况下的流线,通过对两种方法的数值结果进行比较,探讨了两种方法各自的优劣。最后简单分析了另外一种数值模拟分层流动的方法,即盐度异重流模型。两种方法都能够数值模拟分层流动,对于多相流混合模型方法,数值模拟过程不能够持续时间过长,因此利用该方法并不能数值模拟连续分层流绕流问题晚尾迹阶段出现的大尺度相干涡结构,并且由于多相流本身的限制,并不能用VOF的方法模拟含自由面的分层绕流,由此在研究分层流动引起的自由面特征方面受到限制。基于温度异重流模型的方法,不存在体积分数离散一项,尾迹特征持久稳定,可以数值模拟晚尾迹阶段的大尺度相干涡结构,并且没有多相流的限制,可以数值模拟含自由面的分层绕流,利用该方法可以探究分层绕流引起的自由面流场特征。
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