由于对液态金属流体开展实验研究有一定困难,而目前已有的RANS模型又不适合低普朗特数流体的研究、直接数值模拟存在计算量偏大的问题,因此本文选用大涡模拟方法对较高雷诺数(雷诺数37700)下液态金属铅铋在垂直向上流动圆管中的湍流混合对流换热过程进行模拟。本论文共模拟六种不同浮升力下液态铅铋(普朗特数为0.026)的湍流换热情况,分别是理查森数为0、0.05、0.1、0.15、0.2以及0.4。文中给出并分析了各浮升力下圆管内的湍流统计量,包括速度平均值及其脉动、温度平均值及其脉动、雷诺应力、湍动能及其budget、温度动能budget、摩擦系数、换热系数等。研究结果表明,浮力对垂直圆管内液态铅铋的动量场和温度场的影响不同。随着浮力的增大,圆管近壁面区域流体由于浮力作用被加速,圆管中心区域流速有所降低,在浮力增大到一定程度时,整个管子内的速度呈现出M型的分布;同时雷诺应力随着浮力的增大在数值上逐渐减小,在浮力足够大时出现S型分布,即在中心区域出现负值,但其绝对值是有所恢复的,这表明管内湍流强度随浮力先减弱后增强,通过对湍动能的budget分析,发现浮力通过改变湍流产生项来改变管内湍流场。对液态铅铋温度场而言,随着浮力的增加,平均温度是在近壁面处先有所降低后增大,而在中心区域先有所升高后降低,而温度脉动则是随浮力先减小后增强,通过对温度动能budget分析发现浮力通过改变温度动能产生项改变其温度动能。计算结果还表明无量纲摩擦系数随浮升力的增大而增大,而无量纲换热系数随浮升力的增大先减小后增大。其原因可以通过一种新FIK分解方法进行直观说明。FIK分解表明无量纲摩擦系数的变化主要取决于湍流项贡献及浮升力项贡献变化的相对大小,而无量纲换热系数的变化主要取决于湍流项贡献的变化。最后,本文还采用象限分析方法对混合对流中湍流的产生机理进行了深入分析,研究表明浮升力引起的近壁面处湍流相干结构(慢速的热流体发射和快速的冷流体扫掠事件)减弱是造成湍流削弱的主要原因。