封闭槽道紊流相干结构研究

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1、封闭槽道紊流相干结构研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：陈槐指导教师：王兴奎教授二○一五年五月CoherentStructuresinTurbulentChannelFlowsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinHydraulicEngineeringbyChenHuaiDissertat

2、ionSupervisor:ProfessorWangXingkuiMay,2015摘要摘要随着实验及计算机技术的发展，人们发现槽道紊流中蕴含着非常丰富的紊流相干结构，这些结构的生成及演化过程将有助于阐明紊流的物理本质，促进流体力学学科研究的深入发展，在大量的工程中亦将得到实际应用。旋转强度法被广泛应用于提取紊流相干结构中的涡旋结构，然而已有文献普遍采用数值方法求解旋转强度，未能给出旋转强度的影响因素。此外，涡旋提取或采用二维旋转强度或采用三维旋转强度，两者结果间可比性较差，且三个切面（XY、XZ及YZ）内涡旋属性的

3、研究尚不完整。本文经过推导给出了二维和三维旋转强度的理论解，并将其应用在：分析二维和三维旋转强度的差异；研究时均剪切对涡旋识别的影响；对比DNS槽道紊流中二维和三维涡旋属性在三个切面内的差异；建立方腔槽道紊流相干结构的唯象模型。主要结论如下：（1）推导得出二维和三维旋转强度的理论关系式(2.13)，利用DNS槽道紊流数据统计得出，二维旋转强度、及线变形率占三维旋转强度的比重分别为84%、cr3D5%及11%。导致二维与三维旋转强度差异的本质原因为涡旋的倾角，统计发现两者比值与涡旋倾角间存在普适的正弦关系。（2）分别

4、以存在垂向剪切的二、三维槽道紊流为例，推导得出时均剪切通过vxUy和Uyvxwzvzwx两项影响了涡旋的识别。仅当涡旋旋转平面与剪切平面一致、旋转方向与剪切方向相反、时均剪切大于涡旋中心+涡量的一半时，时均剪切才会影响到涡旋的识别，且此条件主要出现在y<50的区域。（3）对比槽道内三个切面（XY、YZ及XZ）的二维和三维涡旋属性可知：二维旋转强度会“破碎”三维旋转强度场，导致三维涡旋的密度略小于二维涡旋，而三维涡旋的面内半径略大于二维涡旋，但三维涡管半径小于二维涡旋半径。涡旋

5、与三个切面间的倾角主要为45°~55°；由倾角与投影角的联合概率密度分布可知，在近壁区内，涡旋方向具有规律性，随着垂向距离的增大，涡旋方向变得随机无序。（4）由于方腔的存在，槽道剪切层在导边处发生分离，往下游运动发展的过程中，冲撞在随边、下游边墙及方腔底部，导致了一系列复杂流态的产生。综合时均环流、瞬时涡旋、雷诺应力及POD模态，建立了方腔槽道紊流相干结构的唯I摘要象模型，可用于预测方腔内污染物滞留及泥沙淤积的位置。关键词：槽道紊流；相干结构；涡旋；旋转强度IIAbstractAbstractWithadvances

6、inexperimentalandcomputationaltechniques,variouscoherentstructureshavebeenidentifiedinturbulentchannelflows.Thesecoherentstructuresoffercluestounderstandthefundamentalturbulentphysicsandholdthekeytomodelingandcontrollingturbulentphenomena.Vorticesconstituteonet

7、ypicalcategoryofcoherentstructures,andtheswirlingstrengthhasbeenwidelyusedasaneffectivevortexindicator.Availableswirling-strengthmethodsinvolvemerelynumericalsolutionsforvortexidentification,failingtoprovideinsightintoparametricdependencyoftheswirlingstrength.T

8、heuseof2Dand3Dswirlingstrengthsforvortexextractionalsoleadstovaryingorevencontradictingevidenceinvortexcharacter.Acomprehensivecomparisonisstilllackingofthevorticesextracted