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湍流减阻控制一直是人们研究的热点问题,相关研究在工程实际中具有广泛的应用。本文采用直接模拟方法对微小气泡以及流向行波洛仑兹力作用下的湍流控制问题进行了数值研究。研究表明,在这两种控制手段下,湍流的摩阻、统计平均量以及流动结构都发生了明显变化,并给出了一些新的减阻机理和控制方法。本文主要工作和研究成果如下:
在施加微小气泡作用的槽道湍流中,研究了在壁面附近加入微小气泡导致壁面摩阻减小问题,发展了用有限差分方法消除计算高斯积分带来的积累误差的方法,分析了施加微小气泡作用后湍流摩阻随时间的变化规律,给出了持续减阻所必须保证的条件。基于计算结果,发现气泡放置的初始位置非常关键,选择合适的初始位置无论是向壁面运动,还是向槽道中心运动均对摩阻的减小有所贡献。同时,进一步研究了施加入微小气泡作用后对湍流拟序结构,尤其是对近壁处的湍流拟序的影响。发现加入微小气泡作用之后,壁面处瞬时流向脉动速度的“高低速”条带结构变弱,流向涡被抑制,整个壁面附近的湍流度降低。
在施加行波Lorentz力作用的槽道湍流中,研究了在流向传播的行波Lorentz力作用下的槽道湍流摩阻控制问题。研究表明,在流向传播的行波Lorentz力作用问题中,行波相速度C是一个重要的控制参数。当行波相速度C>0时,湍流摩阻主要呈增加的趋势;反之,当行波相速度C<0时,则主要得到阻力减小的结果。同时,对行波Lorentz力减阻机理给出了必要的分析解释,发现壁面摩阻的变化特性与展向平均速度的穿透深度密切相关。当展向平均速度的穿透深度大于标准状态下展向平均速度的穿透深度,则湍流摩阻增加;反之,则摩阻减小。同时,通过对湍流统计量和流场的分析,发现壁面附近的流场结构同施加的行波Lorentz力参数密切相关。