近壁湍流小尺度运动的普适特征及其在壁模型大涡模拟的应用

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对于壁湍流(如充分发展的槽道流,平板边界层流动或管道流动),由于壁面较强剪切应力和各向异性的特性,使得近壁湍流的物理机制变得愈加复杂,也是实验测量或数值模拟上的一大难题。本文使用摩擦雷诺数180~5200范围的直接数值模拟数据对近壁湍流小尺度脉动性质进行研究。在摩擦雷诺数1000~5200范围内提取了雷诺数无关的近壁小尺度湍流统计特征。另外,在摩擦雷诺数180~600范围内发现近壁小尺度湍流存在着雷诺数效应,进而给出近壁湍流统计性质发生变化的临界雷诺数。最后利用粗网格壁模型大涡模拟的外区信号作为输入信号对近壁区域湍流统计量进行预测。利用改进的近壁预测模型(Baars et al,2016)将近壁湍流速度分解为大尺度信号和小尺度信号,同样利用壁面剪切应力预测模型(Marusic et al,2013)对壁面剪切应力进行尺度分解,通过改变上述预测模型中外区输入信号的垂向高度在摩擦雷诺数1000~5200范围内获得了雷诺数无关的近壁湍流和壁面剪切应力小尺度脉动统计规律。在摩擦雷诺数180~600范围内,分解后的小尺度速度脉动信号和小尺度壁面剪切应力脉动信号统计量仍然存在雷诺数效应,并且统计量随雷诺数增强。涡旋强度随雷诺数逐渐增强是导致小尺度信号低雷诺数效应的主要原因,并给出近壁湍流小尺度性质发生转折的临界雷诺数,为预测模型提供了一个雷诺数适用范围的下限。最后,发现外部大尺度足迹的小尺度部分可以被粘性尺度很好地标度。采用拉格朗日尺度依赖亚格子模型和平衡壁模型的壁模拟大涡模拟可以在y/δ>0.1的外区部分获得与DNS结果基本吻合的统计结果,如平均流速,湍流强度,外区预乘能谱。为壁模型大涡模拟求解壁湍流外区流场提供了计算范例,并证明了壁模拟大涡模拟求解外部大尺度运动的能力。并且根据附着涡统计规律修正近壁时空速度信号,作为预测模型的输入信号合理预测近壁湍流统计特性。
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