基于变分模态分解的壁湍流拟序结构形态研究

发布时间：2024-06-29 21:21

　　应用多分量准二维变分模态分解技术,对直接数值模拟的湍流边界层的流向-法向平面进行了分解。通过对从低雷诺数到中等雷诺数(Reτ=400～1750)各个工况的瞬时流场的观察,定性地得到了不同模态所对应的物理结构特征。通过两点相关云图形态和倾斜角度的比较,定量地对比了不同模态对应的拟序结构倾角随法向高度的变化。一阶模态主要对应大尺度扫掠/喷射事件,第二阶模态则对应近壁流向涡结构。两阶模态的拟序结构倾角随法向高度的变化趋势与雷诺数呈弱相关,表明大小尺度模态的几何特征在所研究的雷诺数范围内存在自相似性。

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【部分图文】：

图1（a）流向平均速度型?（实线）和（b）流向脉动速度型σu。

在当前工作中，我们选取6个特征雷诺数下的流向-法向平面作为研究对象，流向上选取各个雷诺数对应的位置上下游各6δ（δ为特征雷诺数当地的边界层厚度）的范围，法向上选取y≤δ的区域，基本涵盖了边界层中所有流向尺度的结构。在当前选择的流向范围内，雷诺数的变化在±3%以内，因此后面将采用流....

图2湍流边界层MC-QBVMD瞬时模态（Reτ=1750）。（a）原始速度场；（b）一阶MC-QBVMD模态；（c）二阶MC-QBVMD模态。矢量场代表（u,v,w），背景云图为u。

图2展示了湍流边界层（Reτ=1750）某单帧速度场以及MC-VMD分解得到的两阶模态。这里我们仅仅展示原视野范围的一小部分，以便更加清晰地显示模态中的流动结构。第一阶模态（图2(b））很好的捕捉到了原始流场中的大尺度结构，即沿流向排布的交替排列的高低速流体，其流向尺度达到了边界....

图3MC-QBVMD模态空间两点相关云图（Reτ=1750,y+=30）。a列与b列分别显示第一阶模态和第二阶模态的空间相关云图。行1～3分别对应Ruu、Rvv和Rww。云图中每个高度处的值均用此高度处的最大值无量纲。白色十字为参考高度，虚线为各高度处最大值拟合得到的直线

其中：u代表VMD瞬时模态的三个脉动速度分量（u,v,w）中的一个，〈·〉代表在x、t两个维度上做系综平均。然后求Ruu峰值在不同ry处的最大值对应的流向偏移量rxmax。通过对y高度附近的（rxmax,ry）进行线性拟合即可得到当地结构的倾斜角θ，表示倾斜结构与壁面的夹角。在当....

图4MC-QBVMD模态各个分量的结构倾角随法向高度的变化

图3MC-QBVMD模态空间两点相关云图（Reτ=1750,y+=30）。a列与b列分别显示第一阶模态和第二阶模态的空间相关云图。行1～3分别对应Ruu、Rvv和Rww。云图中每个高度处的值均用此高度处的最大值无量纲。白色十字为参考高度，虚线为各高度处最大值拟合得到的直线对图4....

本文编号：3997908