钝体近尾迹数据处理中湍流相干结构获取方法研究

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钝体绕流问题广泛存在于水利工程、航空航天、建筑工程等科学研究和工程实际中,研究钝体后的湍流尾迹问题可以加深对典型剪切流动力学过程的理解,具有重要实际意义。目前关于钝体尾迹流场的实验和数值研究开展比较广泛,可以得到丰富的湍流数据,如何通过有效的数学后处理手段更为清晰准确地计算湍流量和提取湍流结构,是研究人员长期关注的热点问题之一。  本文主要采用圆柱和圆盘两种典型钝体湍流尾迹流场中的PIV和LES数据开展相关研究。  第一章,详细介绍了本文所涉及的数据处理方法的数学背景和两种钝体湍流尾迹的研究现状。  第二章,则利用传统PIV测试系统对风洞中Re=7100的圆柱绕流近尾迹进行实验测量。针对PIV数据空间分辨率不足的问题,应用大涡PIV的方法计算圆柱近尾迹湍流耗散率。主要研究内容包括,1)对流场进行湍流尺度分析,以验证大涡PIV方法的理论适用前提;2)分析研究大涡PIV方法对空间网格的依赖性;3)计算近尾迹湍流耗散率分布,并与文献中、远尾迹的结果进行比较。结果表明当空间分辨率满足湍流惯性子区尺度要求时,大涡PIV方法可以较好地估计圆柱近尾迹湍流耗散率分布。  第三章,对高雷诺数(Re=22,000)时圆盘绕流问题开展大涡模拟(LES)数值研究。由于LES数据具有足够的时间和空间分辨率,可进行频谱特性分析。主要研究内容包括:1)将数值结果与文献中PIV数据的湍流统计一、二阶矩进行比较,验证大涡模拟方法可靠性;2)对近尾迹中LES结果进行FFT频谱分析,讨论圆盘尾迹流场中的涡旋脱落机制;3)对圆盘轴截面上不同角度的各点进行空间相关分析,研究大尺度结构在轴截面上的周向位置特性。  第四章,在第三章谱分析的基础上,利用丰富的LES湍流数据,借鉴文献研究轴对称型射流问题的方法,对圆盘近尾迹中轴截面进行多平面的2DPOD分析。同时对低雷诺数(Re=170)的圆盘尾迹作相同分解,通过比较高低雷诺数时流场POD分解模态的结构,分析高雷诺数时圆盘近尾迹中大尺度结构可能的存在形式。最后给出3DPOD分解的模态重构场,从圆盘尾迹流场中提取出螺旋大尺度结构,为圆盘尾迹2DPOD分析提供佐证。
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