二维槽道湍流数值模拟与白组织特性

从流体力学基本方程出发,讨论了二维槽道湍流的衰减特性,通过对流场施加合适的体积力,采用拟谱方法对二维槽道强制湍流进行了数值模拟.研究了二维槽道衰减湍流的自组织与逆能量级串特性,再现了二维槽道衰减湍流中湍涡的自组织过程,以及不同波数湍流结构所携能量在自组织过程中的变化,并解释了二维槽道湍流平均速度曲线特征以及海洋环流所特有的自然现象.     

二维槽道湍流的标度律分析

对不同Reynolds数的二维不可压槽道湍流（即二维槽道流动的扰动饱和态）进行了标度律分析.指出二维槽道湍流中存在明显的标度律及扩展自相似性;分析了标度指数随着流动Reynolds数的变化,指出随着Reynolds数的增长,标度指数的奇异性并没有减小的趋势;由此推测充分发展的二维槽道湍流的标度指数也是奇异的、将所得计算值和余振苏等人的SL标度律预测值相比较,认为余等人的SL标度律公式能很好描述二维湍流.     

不可压N-S方程高效算法及二维槽道湍流分析

构造了基于非等距网格的迎风紧致格式,并将其与三阶精度的Adams半隐方法相结合,构造了求解不可压N－S方程高效算法。该算法利用基于交错网格的离散形式的压力Poisson方程求解压力项,解决了边界处的残余散度问题;同时还利用快速Fourier变换将方程的隐式部分解耦,离散后的代数方程组利用追赶法求解,大大减少了计算量。通过对二维槽道流动的数值模拟,证实了所构造的数值方法具有精度高,稳定性好,能抑制混淆误差等优点,同时具有很高的计算效率,是进行壁湍流直接数值模拟的有效方法。在数值模拟的基础上对二维槽道流动进行了分析,得到了Reynolds数从6000到15000的二维流动饱和态解（所谓“二维槽道湍流”）;定性及定量结果均与他人的数值计算结果吻合十分理想。对流场进行了分析,指出了“二维湍流”与三维湍流统计特性的区别。     

壁湍流结构的二维子波分析

对槽道湍流直接数值模拟的脉动速度场进行了二维子波分析。研究了近壁区低速条带结构的多尺度特性。利用定义的局部雷诺应力测度结合平坦因子的方法对湍流脉动速度分解,得到脉动速度的间歇成份和高斯成份。用局部雷诺应力测度正的峰值为特征,通过条件统计平均,得到近壁区典型的拟序结构。     

二维衰减湍流的速度加速度结构函数

湍流场中二阶速度加速度结构函数 (velocity-acceleration structure function, VASF) 被认为与尺度间能量或者拟涡能的传递相关,其正负表明传递的方向. 三维湍流中,能量从大尺度向 小尺度传递,VASF 为负. 在二维湍流中,能量反向传递到大尺度,拟涡能正向传递到小尺度,因此理论上 VASF 无论在反向能量级串区还是在正向拟 涡能级串区均为正. 然而,相对于三维湍流中 VASF 的充分研究,二维湍流中 VASF 的正负性迄今尚无实验或数值模拟数据验证. 本文通过三维二维湍流中普适的公式推导,指出在空间非均匀湍流场中,VASF 除了尺度间传递,还受到非均匀项的影响. 一种常见的空间非均匀湍流场是在实验研究中常用的风洞或水洞中,湍流发生装置 (如栅格) 后的湍流. 该流场中,湍流强度随下游位置增大而逐渐衰减,这种衰减则带来空间上的非均匀性. 本文在基于竖直流动皂膜的二维衰减湍流场中,利用拉格朗日粒子追踪法测得在拟涡能级串区的 VASF,并分析各部分的影响. 结果表明,虽然尺度间传递项为正值,但由于衰减带来的非均匀项为负值,使得 VASF 的值为负,使之失去了表征拟涡能传递方向的意义. 因此,在类似风洞、水洞、水槽等衰减流场中对 VASF 的讨论不应忽略非均匀项. 最后对与 VASF 密切相关的弥散过程进行分析,发现后期弥散过程变慢是由于负的 VASF 导致.      

VELOCITY-ACCELERATION STRUCTURE FUNCTION IN TWO-DIMENSIONAL DECAYING TURBULENCE$^{\bf 1)}$

湍流场中二阶速度加速度结构函数 (velocity-acceleration structure function, VASF) 被认为与尺度间能量或者拟涡能的传递相关,其正负表明传递的方向. 三维湍流中,能量从大尺度向 小尺度传递,VASF 为负. 在二维湍流中,能量反向传递到大尺度,拟涡能正向传递到小尺度,因此理论上 VASF 无论在反向能量级串区还是在正向拟 涡能级串区均为正. 然而,相对于三维湍流中 VASF 的充分研究,二维湍流中 VASF 的正负性迄今尚无实验或数值模拟数据验证. 本文通过三维二维湍流中普适的公式推导,指出在空间非均匀湍流场中,VASF 除了尺度间传递,还受到非均匀项的影响. 一种常见的空间非均匀湍流场是在实验研究中常用的风洞或水洞中,湍流发生装置 (如栅格) 后的湍流. 该流场中,湍流强度随下游位置增大而逐渐衰减,这种衰减则带来空间上的非均匀性. 本文在基于竖直流动皂膜的二维衰减湍流场中,利用拉格朗日粒子追踪法测得在拟涡能级串区的 VASF,并分析各部分的影响. 结果表明,虽然尺度间传递项为正值,但由于衰减带来的非均匀项为负值,使得 VASF 的值为负,使之失去了表征拟涡能传递方向的意义. 因此,在类似风洞、水洞、水槽等衰减流场中对 VASF 的讨论不应忽略非均匀项. 最后对与 VASF 密切相关的弥散过程进行分析,发现后期弥散过程变慢是由于负的 VASF 导致.     

利用子波分析对平壁湍流猝发现象的研究

利用槽道湍流直接数值模拟的数据库,采用子波分析的方法。对平壁湍流猝发现象的多尺度特性进行了研究,在不同惊讶上对猝发平均周期进行了统计,并利用局部标度指数研究了猝发过程的奇异性。     

用PIV测试涡旋波流场的速度和剪应力分布

采用PIV瞬态流场测试技术,对二维槽道中的涡旋波流场不同相位上的速度分布和应力分布进行了测试和计算,本文定量地描述了槽道中涡旋波的形成过程及发展规律。通过调整振荡流的振幅和活塞行程,分析了Re数和Sr数对涡旋波流动的影响,得出了槽道内剪应力的分布状况以及平均剪切应力的周期性变化规律。深入分析了涡旋波流场强化传递现象的本质。     

受限槽道中三维底部障碍物产生的上游内波的二维化

本文采用模型方程：强迫的Kadomtsev-Petviashvili（fKP）方程数值研究了受限槽道中三维底部障碍物产生的上游内波的二维化问题。详细比较了fKP方程与相应的二维问题（强迫的KdV方程）的结果，表明起始阶段呈抛物形的上游内波，由于Mach反射逐渐变成沿y方向均匀的二维孤立波，即上游内波必然出现二维化。三维问题转化为二维问题．此时控制方程退化为强迫的KdV方程。另外，粗略研究了障碍物的长宽比以及与槽道宽度的比值对上游内波二维化的影响。     

用偏倚缩减法检测壁湍流相干结构的时空尺度

提出了用偏倚缩减法计算壁湍流信号自相关函数,提高了自相关函数的计算精度。用壁湍流脉动速度的时间序列的自相关函数达到第二峰值对应的延迟时间检测壁湍流相干结构的平均周期。用槽道流直接数值模拟近壁区脉动速度自相关函数达到第二个峰值对应延迟长度检测壁湍流相干结构的空间平均尺度。     

完全发展的非对称槽道湍流的分形维数研究

湍流的分形维数刻画了湍流的统计正则性 ,本文利用正交子波变换对完全发展的非对称槽道湍流脉动速度的实验数据进行了分析研究。文中首先将脉动速度信号分解到各个尺度 ,然后利用正则法和盒子法两种方法计算了不同尺度信号的分形维数 ,着重于考虑分形维数的变化趋势。研究结果表明 :(1 )随着信号分解尺度的增加 ,速度信号的低频部分和高频部分的维数都逐渐减小 ;(2 )逆输运现象对速度信号的分形维数没有本质的影响 ;(3)正则法计算得到的分形维数要略大于盒子法得到的分形维数     

粉尘等容燃烧容器内扬尘系统诱导湍流特性的实验研究

采用热线风速仪与系统平均法测定和研究了三种圆柱形封闭容器内的扬尘诱导湍流衰减特性,并与球形爆炸容器内已测定的扬尘诱导湍流衰减特性进行了比较。探讨了扬尘装置、容器体积、形状对扬尘诱导湍流瞬态特性的影响。实验结果显示,在粉尘等容燃烧容器内扬尘诱导湍流强度随时间的衰减特性具有一定相似性,它们均呈负指数关系。     

湍流流动和传热整体传输特性的数学分析

湍流是极为普遍的流动现象, 整体传输特性和外部驱动力之间的关系是各类湍流流动和传热问题研究的中心问题. 对近年来Doering和Constantin发展的直接从Navier-Stokes方程推导出湍流流动和传热整体传输特性的显式界的变分方法进行了评述, 重点介绍了平面Couette湍流流动、平面槽道湍流流动和Rayleigh-Benard对流这几种典型的湍流流动和传热整体传输特性的显式界的数学分析. 最后, 讨论了存在的问题并对该领域今后的研究方向进行了展望.      

湍流基础问题研究进展:能量传递,相互作用尺度,各向同性衰减的自保持性

为了更深入地了解湍流的物理过程,本文综述了各向同性湍流的基础问题．在评述了Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ能谱及能量级串过程后,深入讨论了Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ局部各向同性假设．接着综述了涉及能量传递的以及包括三元组相互作用的各向同性湍流相互作用尺度的详细物理过程．还讨论了惯性区、自相似性以及小尺度对大尺度各向异性的响应和末期衰减过程．之后为了举例说明这些论点,详细讨论了根据各向同性湍流直接模拟及大涡模拟得到的结果（包括对亚格子模型的讨论）.最后,综述了各向同性湍流的自保持性,并展望了今后的研究方向．文末列出了１５５篇参考文献     

二维湍流与弱激波相互干扰的数值模拟研究

数值研究了二维各向同性湍流与弱激波相互干扰的问题。得到了当湍流马赫效不同时，弱激波在湍流中的传播所发生的变化；给出了激波之后湍流速度脉动的方差随时间变化的趋势，并且通过其增幅在不同空间方向上的差异，揭示了激波之后湍流场的各向异性；同时分析了激波之后湍流动能的增幅和密度脉动方差的增幅对于湍流马赫效和激波马赫效各自的依赖情况。研究表明：湍流马赫效和激波马赫效在湍流与激波相互干扰的过程中起到了决定的作用。通过数值研究，初步得出了二维各向同性湍流与弱激波相互干扰问题的某些规律和特性，这对于进一步理解和研究湍流与激波相互作用的规律及其内在机理具有重要意义。     

气体运动论数值算法在微槽道流中的应用研究

简要介绍基于Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法基本思想及其对二维微槽道流动问题数值计算的推广，并阐述适用于微尺度流动问题的气体运动论边界条件数值处理方法。通过对压力驱动的二维微槽道流动问题进行数值模拟，将不同Knudsen数下的微槽道流计算结果分别与有关DSMC模拟值和经滑移流理论修正的N—S方程解进行比较分析，表明基于Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法对微槽道气体流动问题具有很好的模拟能力。     

低速二维流动的粒子仿真研究

本文运用信息保存法对低速二维的流动现象进行模拟，考察了低速条件下的有限平板绕流以及微槽道气体流动问题。研究表明：在对低速流动的模拟过程中，运用IP法在能够获得较好的结果的同时，具有比DSMC方法更高的计算效率。     

基于LBM的壁湍流跨尺度能量传递结构统计

壁湍流不同尺度间能量传输特性存在着明显的各向异性, 了解能量不同尺度间传递的空间分布是进一步构造高保真各向异性大涡模拟亚格子模式的前提. 基于格子Boltzmann数值(lattice Boltzmann method, LBM)模拟方法对雷诺数$Re_{\tau } =180$的槽道湍流进行直接数值模拟. 结果与公开的槽道湍流数据库进行对比, 平均速度剖面、雷诺应力和脉动速度均方根均取得了较好的一致性, 验证了LBM方法模拟槽道湍流的可靠性. 对模拟后的数据采用空间滤波方法得到不同尺度间能量交换量的空间分布场, 结合结构识别捕捉方法——聚类分析法对不同尺度间能量传输结构的空间分布特性进行了分析. 结果表明尺度间能量传输结构在全流场物理空间中主要为小尺寸结构, 结构的体积概率密度呈现出$-$4/5幂律, 按结构距壁面最小距离以结构距壁面距离又可将结构划分为附着结构和分离结构, 其中附着结构以较小的数量占比达到了较高的体积占比, 表明附着结构多为大尺寸结构, 进一步的对附着结构的统计表明结构在尺寸上存在着一定的幂律关系, 表明不同尺度间能量输运结构也具有Townsend提出的附面涡的自相似性, 最后对能量正反传附着结构的成对特性研究发现, 能量正传$\!-\!$反传结构对倾向于沿展向并排排列.      

二维自由混合层剪切湍流中Brown-Roshko大涡拟序结构

一、引言最早研究二维混合层剪切湍流(又称半射流)的结构特性的先驱是Liepmann和Laufer。他们系统地测量了二维混合层剪切湍流中有关的统计参数的分布和变化规律。最初用流动显示术观察到二维剪切层内有大尺度涡旋,应追溯到第二次世界大战以前德国Flüge的研究,但他的研究成果没有引起人们的重视。直到70年代初,Brown和Roshko发表了二维剪切层流动内高度“二维性”大尺度涡的拟序结构的照片及相应的大      

多孔介质壁面剪切湍流速度时空关联的研究

作为一个基础统计量,时空关联函数在湍流问题的研究中有着广泛的应用,是研究湍流噪声、湍流中物质扩散和大涡模拟亚格子模型等问题的重要参考.本文通过建立三维多孔结构壁面剪切湍流模型,采用含Darcy-Brinkman-Forchheimer作用力项的格子Boltzmann方程对无穷大多孔介质平行板之间壁湍流进行了数值模拟,进而研究其速度脉动时空关联函数的统计特性.一方面,根据计算得到的流场数据,对比分析了常规槽道湍流与多孔介质壁面槽道湍流的时间关联函数.另一方面,计算并讨论了不同孔隙率和渗透率的多孔介质壁面对速度脉动时空关联性的影响.通过研究表明:多孔结构壁面剪切湍流的时空关联函数等值线与椭圆理论相符;在研究参数范围内,多孔介质壁面的速度时空关联系数随着孔隙率增大而增大,随着渗透率增大而减小.同时发现在槽道壁面的近壁区、过渡区、对数律区和中心区等不同位置处,速度时空关联呈现较大差异性:越远离壁面位置(对数律区和中心区),其时空关联函数所呈现的关联等值线椭圆越细长,高值相关等值线越集中.多孔介质主要改变速度时空关联椭圆图像的椭圆率,说明多孔介质壁面主要影响湍流横扫速度.