大涡模拟中过滤尺度与湍流结构关联机制研究

The filter scale used in Large Eddy simulation is often highly related with the computation grid and not associated with the physical turbulence structure scales. As the result, the computation results of LES relies on the grid. From the turbulent kinetic energy ratio perspective, this project aims to find a method to determine the filer scale, which associated with turbulence structure and its scale. The turbulent near wake of a circular disk, characterized by full three dimension and small scale turbulent structure with relatively high energy fraction, is numerically and experimentally studied. The research works include: (1) based on Taylor assumptions, the experimental data of combination of Hot and Cold Wire technique are analysed with different time scale (length scale) to study the effect of filter scale on residual stress and model coefficient Cs of subgrid model (2) By 3D POD analysis of PIV or LES data, to reconstruct the three dimiensional turbulent structure, its scale and energy distribution. (3) to study the effect of coherent structure on turbulent transport of scalar. The purpose of this project is to find a method to determine a filter dimension, which has less effect on the residual stress, and helps to determine subgrid coefficient Cs and computational grid used in LES.

大涡模拟中的过滤尺度往往与网格相关，缺乏足够与湍流结构信息的物理关联，导致计算结果依赖网格。本项目拟从湍流相干结构及其能量比例角度出发，构建与湍流相关的过滤尺度确定方法，并对湍流结构三维特性强，小尺度含能较大的圆盘近尾迹开展实验和数值研究。主要研究内容包括：（1）基于泰勒假设，对热线测量速度信号采用不同时间尺度（过虑长度）进行过虑分析得到过虑尺度对残余应力的影响，研究亚网格尺度影响模型系数Cs的机制（2）建立对LES或PIV数据进行POD三维湍流结构分析方法，分析3D结构尺度及含能情况；（3）研究湍流结构对标量输运的影响。期望能获得一个过虑尺度对残余应力不产生影响或者影响较小，指导大涡模拟亚网格模型系数确定和网格划分。

本项目旨在建立湍流大涡模拟中过滤尺度与湍流结构关联机制。以全三维特征、小尺度湍流结构含能较高的圆盘近尾迹、带肋近壁湍流流场等研究对象，开展如下研究：.1）对圆盘近尾迹，主要研究包括：a)雷诺数0-1000近尾迹演化过程，确临界征雷诺数，对尾迹结构及其POD含能进行分析，发现了一个新的模态及剪切层不稳定零界点；b) 条件平均方法研究圆盘大雷诺数（10000）不稳定性，发现了湍流中具有类似层流结构两个拟序结构；c)通过对雷诺数250、300、3000、10000等尾迹对比分析，发现了湍流结构中两个低频不稳定频率，分别对应尾迹伸缩和摆动，并与涡旋脱落机制相关；d) PIV实验研究了圆盘、开孔圆盘近尾迹，发现由于渗流导致回流区变小，回流强度减弱。通过POD分析，发现了前两个模态发卡涡面对称破坏RSB和对流特征。e) 对雷诺数152,175,300和3000三个特征雷诺数尾迹进行三维POD分析，发现RSB，SW两个模态始终出现，表明层流向湍流演化中，一些层流结构依然在湍流中间隙性出现。.2）数值研究了带肋近壁流场及其对标量输运的影响，主要工作包括：a) 流场结构及其不稳定性，获得了剪切层不稳定性及其次谐波频率。通过POD，Q函数分析，发现次谐波是由于剪切层涡旋合并导致。此外，2D特征的涡管，会演化为三维的螺旋结构，Λ型发卡涡结构等。破碎与合并伴随有频率及含能变化；b) 除了剪切层不稳定频率外，通过FFT和小波分析还发现了两个低频，分别对应于肋后回流区伸缩及其与剪切层相互作用导致的摆动。C)通分析相干结构与温度通量之间关系，发现大尺度结构有很好的保温作用。大尺度结构的旋转强化了近壁与自由流之间对流，从而强化传热。.3）LES数值研究了小雷诺数（Re=60-180）超疏水圆柱绕流，研究滑移长度（Ls=0.01-0.25）对其阻力特性的影响。结果表明，当雷诺数小于100，且无量纲滑移长度小于0.02时阻力主要由黏性力导致；滑移长度增大会导致圆柱绕流分离点变化，压力导致的阻力增强。滑移会导致涡旋脱落频率变大，涡旋强度变低。雷诺数在100-180之间时，滑移长度导致分离点向下游移动。当滑移长度0.25时，无涡旋脱落，流动稳定。上述研究对减阻流动控制具有指导意义。