张恒 任峰 胡海豹

(西北工业大学航海学院,西安 710072)

研究非牛顿流体转捩问题,可为调控非牛顿流体动力特性提供理论基础.相对于牛顿流体转捩问题,非牛顿流体转捩研究较少,缺乏转捩雷诺数精细预报方法.论文以格子Boltzmann 方法为核心求解器,以典型非牛顿流体幂律模型为例,开展了幂律流体二维顶盖驱动流转捩模拟,给出剪切变稀和剪切增稠流体的第一转捩雷诺数,并分析了转捩雷诺数附近流场时频域特性及模态分布.结果表明,剪切变稀流体和剪切增稠流体的第一转捩雷诺数与牛顿流体差异显著,且在转捩临界雷诺数附近监控点处速度分量均呈现周期性变化趋势.通过对流场速度和涡量的本征正交分解发现,不同类型的流体在转捩临界雷诺数附近,前两阶模态均为流场的主模态,能量占比超过95%,且同类型流体不同雷诺数的主模态间具有相似的结构.

1 引 言

顶盖驱动流是计算流体力学中经典物理模型之一,被广泛应用于层流流动、流动转捩等问题的研究[1−4].研究流动转捩问题,可为界定流场状态和调控流体动力特性提供理论依据,具有重要学术意义.转捩问题涉及多种流动状态,属复杂流体力学问题,已有大量学者开展过相关研究.例如,Peng 等[5]采用有限差分法研究了顶盖驱动流的转捩雷诺数,并给出临界雷诺数附近流场的时频域特性.Bruneau 和Saad[6]进一步提高网格分辨率,改进对流项差分格式,佐证了Peng 等[5]、Auteri 等[7]、Sahin 和Owens[8]关于……