方、矩形环管湍流直接数值模拟分析:Ⅱ.雷诺应力场与平均能量谱,对传统湍流本构关系的再认识

通过对直管道内充分发展湍流的直接数值模拟,建立方、矩形环管内充分发展湍流数据库,其中包括详细的湍流统计数据:(1)湍流平均流场,即平均流向速度与湍流驱动平均二次流(史称Prandtl第二类二次流);(2)湍流雷诺应力场;(3)湍流时均能量谱.本文给出了方、矩形环管内充分发展湍流雷诺应力场分布信息,对90°凸角域附近的Prandtl第二类二次流生成项结构进行了仔细剖析,特别诠释了凸角域二次流的生成机理.将方、矩形环管90°凹角附近的流场,包括平均流场(流向速度,平均二次流)和雷诺应力场中的湍动能,与现有的实验和直接数值模拟数据进行详细对比验证,展示了方、矩形环管内直接数值模拟结果的有效和合理性.基于对湍流雷诺应力场和能量谱特征的观察,本文提出了重新审视和认识传统湍流本构关系的必要性.对标量涡黏系数所隐含的各向同性物理涵义与假设给出严格数学证明,在此基础上,提出了以张量涡黏系数描述湍流各向异性运动特征的研究思路,给出了发展以描述各向异性湍流运动为目标的新型湍流本构关系.基于此关系进一步提出未来研究设想,即发展基于直接数值模拟结果的雷诺平均湍流封闭模型,以提高雷诺平均模拟的物理可靠性和准确度.