Taylor-Couette湍流的直接数值模拟研究

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本文采用直接数值模拟方法(DNS)研究了同心旋转圆筒Taylor-Couette湍流。详细讨论了雷诺数、半径比、外壁面反向旋转对大尺度Taylor涡结构及湍流特性的影响。量化了Taylor涡对湍流特征统计量的贡献,对相关的流动机制作了进一步的探讨。  通过研究雷诺数对Taylor-Couette湍流的影响发现,随着雷诺数的增大,流动湍化程度增强,具体表现为:内壁面剪切作用增强,湍流脉动峰值逐渐靠近内壁面;同时流场中的大尺度Taylor涡结构渐渐扭曲,Taylor涡对湍流统计量的贡献逐渐降低;高雷诺数下湍流脉动的生成、耗散和再分配等动力学过程增强,尤其是径向脉动对湍动能的再分配作用变得更为突出。  通过研究半径比对Taylor-Couette湍流的影响发现,随着半径比的增大,随机脉动对湍流统计量的贡献减弱,而大尺度Taylor涡的贡献增强。对于小半径比的Taylor-Couette湍流,流场主要是随机脉动占主导,并且有相当一部分湍动能是来自于流体径向脉动;而在大半径比情况下则是由大尺度Taylor涡结构占主导,表现出了类似平板Couette流动的特性。  通过研究外壁面反向旋转对Taylor-Couette湍流的影响发现,在外壁面旋转速度较小时,Taylor涡结构对湍动能和雷诺应力的生成、耗散和再分配等动力学过程具有重要影响;随着外壁面旋转速度的不断增大,湍流脉动的动力学过程主要由近壁区平均流的剪切作用主导,在中心区域流体运动主要由湍流随机脉动主导。
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