时间演化分形流场的直接数值模拟

为了研究分形网格湍流中小尺度结构的运动规律,在具有高分辨率的空间网格中,开展分形流场时间演化的直接数值模拟,并通过模拟具有相同阻塞率的规则流场进行对比研究.通过给流场中注入合适的能量扰动,促使2类流场从层流初始状态向湍流状态过渡.数值模拟结果表明,与规则流场相比,分形流场受到初始条件影响的持续时间更久,同时在时间演化的初期,分形流场产生的动能更小,但分形流场在衰减期的大尺度运动起到强化湍流的作用,导致其产生的动能更大、湍流强度更高,有利于实现对流场的被动控制.分形流场和规则流场均在截断波数kM≈20时满足能量与耗散水平相等,但有别于能量级串过程中能量传输与耗散的平衡.当流场达到统计均匀后,规则流场衰减符合Saffman湍流特征的规律.

分形流场传质输运特性的数值模拟研究

当分形湍流发展至均匀状态后,为了研究流场的传质输运特性,通过标记流场不同区域的流体颗粒,采用TS13插值方式获取流体微元的拉格朗日位置和速度,探索示踪粒子的运动规律.与此同时,模拟了具有相同阻塞率的规则流场进行对比分析.数值结果表明:由于分形流场边界处的大尺度运动明显,其示踪粒子沿流场运动的平均位移波动范围比规则流场更大.同时,两类流场边界处的流体粒子在演化过程中都会朝着流场中心区域运动.此外,分形流场的大尺度运动使得示踪粒子沿法/展向的扩散能力更强,最终导致分形流场的示踪粒子沿法/展向运动的平均路程约为规则流场的3倍.