湍旋流是自然界与实际工程中广泛存在的一类流动,自然界中的龙卷风,工程实际中的旋风分离器、强化传热管、水力旋流器等装置中均有旋流的身影,水利工程中利用旋流排沙、排螺、消能等也取得了不错的效果。研究湍旋流的流动特性不仅具有较高的工程价值,更能够加深对流体运动的理解。由于湍旋流运动的复杂性,目前数值模拟的进口条件还多依赖于实验成果提供,且以简化的二维轴对称模拟居多;研究内容主要围绕湍旋流的流场特性及阻力特性展开,能量损失的成果比较少。有鉴于此,本文在总结前人研究成果的基础上,采用数值模拟与理论分析,得到如下成果:(1)对圆管中湍旋流的三维数值模拟进行了探讨:从湍流模式封闭来看,应选用更能适合中高旋流强度湍旋流模拟的雷诺应力模式;近壁处理方面,非平衡壁函数比标准壁函数在旋流这类的复杂流动中更有优势;开发数值旋流生成装置,以实现管道进口处高品质旋流的自动生成;网格剖分上,需结合旋流的流动特点及装置的结构特点,进行有针对性的布置。验证计算成果与已有实验数据进行对比,两者吻合较好。(2)基于总流理论,提出了圆管中湍旋流的总流能量损失计算式。与以往需依据实验或原型观测成果建立的经验计算式不同,该计算式能直接考虑紊动的影响,能实施湍旋流的总流特性与流场特性的统一描述;在三维数值模拟成果的基础上,能直接计算出总流能量损失。(3)对一系列方案进行计算,探究了旋流的运动特性,结果表明:1)旋流强度沿程近似呈指数衰减,衰减指数还有赖于实验获得;2)对于中高强度的旋流,管段首端附近会出现回流现象;3)当旋流数大于某一界限值,组合涡的速度分布特性能够对切向速度的径向分布进行较好地概括,经验公式给出的最大速度及其出现的位置与数模结果有一定离差;4)压强沿径向存在较大的梯度,沿程递减的快慢与旋流数密切相关。(4)对旋流的阻力特性和能量特性进行了探究,结果表明:1)旋流壁面时均切应力的轴向分量和切向分量与旋流数和雷诺数呈正相关关系,当固定雷诺数,轴向切应力随旋流数呈指数变化;2)整理流场计算成果,运用理论分析得到的总流特性表达式进行计算,湍旋流的能量损失系数与平直管流相比,前者远大于后者,且随旋流强度增加而增加,中高强度的旋流能量损失系数能达到平直流动数倍的程度。