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浅水密度均匀流体中大尺度相干涡结构特性研究
| 论文题名： | 浅水密度均匀流体中大尺度相干涡结构特性研究 |
| 关键词： | 圆管潜射流;大尺度涡结构;计算流体力学;形成机理;演化特性;数值模拟;均匀流体;水下航行器 |
| 摘要： | 大尺度相干涡结构是海洋中存在的一类特殊流动结构,该结构起源于海洋中的某种动量源效应。水下航行器在海洋中航行时,其推进器和冷却水排放的力学效应正是其动量源之一,其所形成的动量尾迹在海面上会发展成为水平尺度达1-200公里、持续时间长达数周的大尺度结构,并能够被海洋遥感卫星所捕捉,因此,研究大尺度相干涡结构的形成机理及其演化特性具有重要的科学意义与军事价值。 在回顾和总结了目前国内外研究进展的基础上,本论文就圆管潜射流生成大尺度相干结构的机理及其表现特征问题,开展了以下几个方面的研究工作: 在第二章中,基于不可压Navier-Stokes方程,数值模拟与分析了深水层流圆管潜射流生成蘑菇型涡结构的演化机理及其表现特征。结果表明,蘑菇型涡结构的演化存在启动、发展、衰退三个阶段。特别地,在发展阶段蘑菇型涡结构具有自相似性,无量纲射流长度L*、涡环半径R*和包络外形长d*度均正比于t*1/2(t*为无量纲时间),而且雷诺数和无量纲射流时间不影响该正比关系。 在第三章中,采用第二章所述方法,数值模拟与分析了浅水层流圆管潜射流生成大尺度涡结构的演化机理及其表现特征。结果表明,在浅水情况圆管潜射流会出现“坍塌”与流体螺旋形上升等现象;在低雷诺数情况,大尺度涡结构具有良好的稳定性,表现为三维涡结构特征;而在高雷诺数情况,涡结构将失去结构稳定性,表现为准二维偶极子涡结构的特征,其L*和R*正比于t*2/3,而且无量纲射流时间不影响该正比关系。 在第四章中,湍流圆管潜射流过程采用RANS方法数值模拟,并将其结束时刻的流场值作为初值,采用LES方法数值模拟与分析了浅水湍流圆管潜射流的演化机理及其表现特征。结果表明,浅水湍流圆管射流的演化具有随机性,随着射流时间的增大随机程度降低。此外,大尺度涡结构在射流时间增大时表现为更加明显的准二维特征,其几何中心的纵向分量正比于t*2/3,而其横向分量与t*成线性关系。 |
| 作者： | 陈云祥 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计与制造 |
| 导师： | 尤云祥 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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