旋转条件下变径圆管内壁面剪切螺旋流特性和数值模拟研究

本项目着重开展旋转条件下变径圆管内壁面剪切螺旋流特性和数值模拟研究，探讨这类复杂湍流的流动机理。本研究主要针对旋转变径圆管内的螺旋流和壁面剪切耦合效应，开展其内部流场测试，分析旋转、螺旋流、壁面剪切对变径圆管内的湍流的时均速度、脉动速度、湍流强度及雷诺应力等统计量的综合影响；依据测试结果中各湍流参数的统计量，对二阶封闭模型（SSG）进行修正，建立适用于旋转变径圆管内壁面剪切螺旋流的修正SSG湍流模型；利用修正的SSG湍流模型，发展相应的高精度数值计算方法，开展旋转变径圆管内壁面剪切螺旋流的数值模拟研究，探讨耦合效应对流场结构的影响及对雷诺应力输运等的影响。变径圆管内壁面剪切螺旋流的流动特性研究和基于修正的SSG湍流模型的数值模拟方法的提出可为揭示同类管流内流规律提供必要的信息和有效手段，也可为湍流模型的构造提供物理基础。

旋转条件下变径圆管内螺旋流是一类复杂的湍流问题，存在着周向旋转与流向剪切的耦合作用，在输液管道，离心设备及井下油水分离等工程技术领域有重要的应用背景。本研究对旋转条件下变径圆管内螺旋流的流动特征进行研究，取得的主要成果如下：. （1）根据旋转条件下变径圆管的特点，建立了一套适用于激光多普勒测速的旋转变径圆管实验系统，发展了测量窗口与测点位置的换算方法。运用激光多普勒测速系统对旋转条件下变径圆管大、小锥段内的二维流场进行测量研究，获得了不同壁面转速与不同雷诺数下切向速度与轴向速度的分布规律，及入口和出口间的压力降。. （2）利用张量的不变量理论，分析了传统雷诺应力模型中压力应变项模型应用于旋转湍流模拟中的基本问题，以此为依据构造出包含旋转率张量与应变率张量高阶量的关联项，建立了适用于旋转条件下变径圆管内螺旋流模拟的压力应变项修正模型，并用轴向旋转圆管的实测结果验证了模型的可靠性。. （3）利用修正后的压力应变项模型结合二阶应力(SSG)雷诺应力模型，基于有限体积法对方程进行空间离散，根据控制方程特点与螺旋流流动特征，确定方程中各项的离散格式。对壁面旋转条件下，不同壁面转速和雷诺数的变径圆管内螺旋湍流流动进行数值模拟。研究了壁面旋转变径圆管螺旋流的时均流场和脉动相关流场特性，得到了转速与雷诺数变化对螺旋流时均速度、速度梯度、压力降以及湍动能量、湍流脉动雷诺应力与雷诺应力输运等流动参数的影响规律，并将数值模拟结果与实测结果进行了对比，验证了非线性修正模型的合理性。. 本文针对旋转条件下变径圆管内螺旋流这一复杂湍流问题所开展的研究工作，为相关设备在旋转工况下的应用提供理论依据，也可为此类壁面耦合下复杂旋转湍流运动的研究提供借鉴价值与研究基础。