振荡边界层研究及其应用

综述了振荡边界展的研究现状，包括：层流边界层，转捩和湍流边界层的理论、数值和实验研究的最新进展．在自然界，最典型的例子是波浪、潮汐作用下的水底边界层．同时讨论了水底边界层的特点及其中物质输送的动力学过程，还给出了实际应用的例子．

用格子Boltzmann方法模拟圆柱绕流的振荡边界层

提出了一种用于模拟圆柱绕流的振荡边界层流动的新方法——旋转系统平均法。该系综由一些相同的系统组成,每个系统除使用不同的网格外,具有相同的流动。经模拟圆柱绕流的振荡边界层发现,流体质点的流动具有平行于振荡方向离开圆柱、竖直于振荡方向流向圆柱的特点,同时也发现在紧邻圆柱出现的被称为二次流的4个涡旋流动现象。数值模拟结果符合经典的理论结果。该方法也可用于其他圆柱绕流问题。

平板和翼型壁面上振荡流底边界层中拟序涡结构运动演化的大涡模拟研究

本文结合飞行器和船舶减阻机理的研究 ,利用大涡模拟的方法 ,建立了模拟振荡流边界层湍流运动特性的数学模型 ,进而对飞行器和船舶设计中遇到的 ,较为典型的两种边界层流动中拟序涡的生成过程进行模拟研究 ,计算结果表明 ,在振荡流加速阶段 ,靠近壁面处的流动由于剪切层的不稳定性而产生紊动 ,但受到主流的抑制不能得到充分发展 ;振荡流随着减速阶段的开始 ,紊动逐步变得更加强烈 ,并形成拟序涡结构。本文工作为进一步研究如何控制或适应边界层中湍流结构 。

振荡层流边界层运动的格子Boltzmann模拟

将波浪作用下的振荡边界层问题化为振动平板边界层问题,利用格子Boltzm ann方法中不可压缩的模型模拟了线性波和椭圆余弦波作用下的层流边界层流速变化,并和理论解进行了比较。算例表明,不同波浪条件下的数值模拟结果和理论解吻合较好,仅在流速较小的相位时两者在近床面处有较大误差,误差的形成主要与边界条件的精度有关。

沙纹床面振荡流边界层的三维格子玻尔兹曼模拟研究

将壁面自适应局部涡黏(WALE)模型引入三维格子玻尔兹曼模型,对沙纹床面上的振荡流边界层运动进行了模拟,并与Smagorinsky模型的模拟结果进行了比较.结果表明,在振荡流沙纹床面模拟中,WALE模型与Smagorinsky模型均获得与已有实验结果吻合较好的垂向流速剖面,但WALE模型可以更好地反映粗糙紊流的特性.引入WALE模型的LB模型模拟得到的沙纹床面形状摩阻系数和肤面摩阻系数结果与前人数模结果一致,床面总摩阻力中形状摩阻相比肤面摩阻占主要部分.该模型可进一步应用于振荡流作用下沙纹床面紊流边界层运动特性的系统研究.

振荡流边界层中颗粒受力的三维格子玻耳兹曼模拟

应用格子玻耳兹曼方法对振荡流边界层中单个颗粒在近壁面处的受力进行了三维模拟,计算结果与已有数值模拟结果(雷诺数为300)和实验结果(雷诺数为2000)进行了比较,吻合均较好。计算结果表明,当雷诺数为300时,在振荡流做正反向运动时力系数的幅值变化过程相同,横向涡量的空间分布具有对称性。雷诺数为2000时,紊动增强使力系数在不同流动方向时的变化有所差异,而且横向涡量的分布呈现非对称性,这时颗粒受到横向力作用。

粗糙床面振荡紊流边界层运动的三维格子玻尔兹曼模拟

该文采用格子玻尔兹曼(LB)方法建立了紧密排列颗粒粗糙床面振荡紊流边界层模拟的三维数学模型。收集粗糙床面波浪水槽实验结果,对水槽实验条件下的振荡流边界层进行模拟,模拟得到的平均流速、紊动特性、等效粗糙高度、摩阻系数和边界层厚度等与实验结果进行了全面对比,并对三维涡旋结构进行了分析。结果表明,所建立的LB数学模型可以合理模拟粗糙床面振荡流边界层流动,能够反映三维涡旋特性,可进一步应用于粗糙床面振荡流紊动特性以及床面粗糙参数的研究。

河口混合与泥沙输运

根据振荡边界层理论和波流分解方法，导出了河口往复水流的流速垂向分布廓线，据此建立了河口垂向准二维水流、盐度、泥沙运动模型．对泥沙输运，完整地考虑了其对流、扩散、起动和沉降的动力学过程．模拟结果与实测资料进行了对比．应用该模型研究河口泥沙输运，分析了河口混合对泥沙输运的影响及最大浑浊带的时空变化规律．