周培源湍流理论的实验研究——纪念周培源先生诞辰一百二十周年

<正>周培源先生于1952年在北京大学创建了我国第一个力学专业,联合力学所、清华大学和北京航空航天大学创建了我国第一座以混凝土薄壳结构为主体的大型低速风洞,亲自用爱因斯坦符号讲授理论力学课,在湍流课上形象地介绍均匀各向同性湍流以及湍流的声产生特征^[1]。周培源先生^[2-3]第一个得到了对N–S方程在统计意义上的准确解,其湍流理论覆盖了从各向同性湍流到剪切湍流和极高湍流强度的极限湍流,     

大气边界层模拟的湍流相似

大气边界层的风洞模拟,是目前研究建筑物风载,污染质的大气扩散,以及解决某些环境科学和军事科学中大型课题的重要手段之一。在许多国家,风洞模拟已成为环境部门设计大型工程、林区、厂区和城区规划的主要依据。最初的大气边界层模拟装置,仅考虑形成一定的平均风速廓线,并未考虑到气流的湍流特性。微气象学的研究表明,大气的湍流特性是影响扩散的主要因素。特别是Monin和Obukhov通过大量实测资料提出大气表面层中的相似性理论,成为研究大气扩散的重要依据。从50年代开始,一些研究大气扩散和建筑物风载问题的长实验段风洞相继筹划和建立。其中较著名的有,美国科罗拉多州立大学的1.8米×1.8米×30米的回流式长实验段气      

全国风工程实验设备、技术和应用学术讨论会

会议由中国空气动力学研究会工业空气动力学专业委员会在北京召开。来自全国45个单位的85名代表出席了讨论会。36位代表宣读了论文或作了重要发言。代表们围绕以下几个方面进行了交流和讨论:①风工程实验设备(风洞、水洞、水槽等),特别是大气边界层风洞和一些非航空的专用风洞的设计、施工和调试的经验;②风工程实验与测试技术,包括风工程实验的相似准则,大气边界层的物理模拟技术,风速风向、湍流结构、浓度、压力等的测      

在1.4米航空风洞中模拟大气边界层

在风洞中正确模拟大气边界层的流动特性是风工程风洞试验结果可信的必要条件,本次试验研究的目的是在短试验段的航空风洞中建立大比例的大气边界层模拟流场。通过适当的方式延长1.4m×1.4m航空风洞的试验段长度,并利用尖塔、粗糙元等边界层发生装置,在该风洞中建立了边界层流场,测量了流场的平均风速剖面、湍流强度剖面、脉动风速的自相关系数、风谱等参数,讨论了湍流积分尺度的处理和大气边界层几何模拟比例的确定,用谱拟合法和自相关系数积分法求出了湍流积分尺度。结果分析表明:试验所得流场是合理的大气边界层模拟流场,其平均风速剖面幂指数α=0.3,大气边界层模拟比例为1∶500,为后续的建筑物模型动态风荷载试验提供了前提条件。     

格栅湍流风场风参数变化规律的风洞试验研究

格栅湍流风场常用于研究来流风参数对结构风效应的影响规律与作用机理。本文对不同格栅湍流风场的风参数随横栅板起始高度、孔隙率、距离和栅板宽度的变化规律进行了研究,结果表明:横栅板起始高度为横栅板间距一半时,格栅湍流风场的均匀性较好。湍流积分尺度离散性较大,可采用一定范围内的湍流积分尺度的平均值衡量试验横断面湍流积分尺度的总体大小。随着距离增大,湍流强度呈指数衰减趋势,湍流积分尺度呈增大趋势;随着栅板宽度增大,湍流强度和湍流积分尺度均增大;基于试验结果提出了湍流强度和湍流积分尺度关于距离和栅板宽度的计算公式。根据风参数的变化规律,调试出了两组特定的格栅湍流风场,一组湍流强度接近,湍流积分尺度相差较大,反映了脉动风的涡旋结构不同;另一组湍流积分尺度接近,湍流强度相差较大,反映了脉动风的能量大小不同。上述研究结果为下一步研究风参数对高层建筑风效应的影响规律打下了基础。     

在我国开展工程湍流研究的设想

本文包括三部分:１）提出开展工程湍流研究的背景;２）工程湍流研究的特征和内容;３）开展工程湍流研究的设想,其中包括:ａ）湍流理论的概念鉴别和在工程中的应用,ｂ）湍流模式理论的应用和完善,ｃ）湍流测量和ｄ）湍流控制．      

低湍流风洞

北京大学湍流研究室建成了一座精密的低湍流风洞,该风洞是一座能产生一股速度脉动和温度脉动都非常小的均匀气流的实验设备。技术关键是如何降低气流内的速度脉动值。由于风洞设计上采取了直流,闭口和吸入式的空气动力方案和其他正确技术措施,并精密加工,这样风洞就达到了气流均匀、平稳、湍流度低于0.08％的指标。风洞的实测值是0.05％左右。该风洞除可进行流动的稳定性,湍流发生的机理性基础实验外,还可进行一般的基础应用性实验,如减阻、风载、分离流动等实验研究。同时由于风洞很精密,也可以用作标定各类流速传感器的标准计量风洞。     

基于NPLS技术的可压缩湍流机理实验研究新进展

可压缩湍流机理的实验研究是一件难度很大的工作, 其主要的难度在于高时空分辨率的可压缩湍流结构非接触精细测试技术和低噪声的高速风洞设备技术. 近几年来, 由于在低噪声的超声速、高超声速风洞研究和可压缩流动精细结构测量技术研究方面取得的重要进展及其在可压缩湍流机理研究方面的应用, 超声速流动转捩与湍流的机理研究取得了较大的进展. 本文介绍了最近几年高速流动非接触精细测试技术, 尤其是基于纳米粒子的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering, NPLS)、背景导向纹影技术(background oriented schlieren, BOS) 和超声速流场的粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)的研究进展和发展前景, 以及基于这些技术, 在可压缩湍流机理实验研究方面的进展和发展前景, 其中包括在超声速混合层转捩、超声速绕流与尾流结构、超声速边界层转捩、激波边界层干扰等典型流场的机理研究方面, 以及气动光学机理研究方面的研究进展. 最后, 展望了目前湍流机理实验研究对湍流工程模型研究的可能贡献.      

壁湍流扩展的自相似标度律的实验研究

对风洞中零压力梯度平板湍流边界层进行了实验研究，用热线风速仪测量了不同法向位置的脉动速度，研究了湍流边界层不同法向位置速度结构函数的扩展的自相似标度律。     

湍流理论基本思想发展

长期以来湍流物理性质的研究未得到物理学家的应有的注意[1]。准连续介质(液体,稠密气体,稠密等离子体、弥散系统)的湍流流动的特征,是某种有秩序的平均流动内无秩序的宏观混乱运动。因此,就这种现象的实质来说,湍流理论应当是统计的理沦,于是人们在这里便不期而然地想到同气体分子运动论的类比。在上世纪末这种类比是十分自然的,而实际上,在O.Reynolds[2]的著作中,后来20世纪在L.Prandtl[2]及其他许多研究工作者的许多著作中,都已经利用了这种类比.      

壁湍流温度扩展的自相似性及其层次结构模型

用热线风速仪测量了风洞中壁面加热平板湍流边界层不同法向位置的温度信号,研究了温度结构函数扩展的自相似性及其层次结构模型与湍流平均流场的非均匀性的关系。     

极低湍流度下翼型近场尾流雷诺切应力的分布

简述了在西北工业大学低湍流度风洞中，用热线风速仪测量翼型边界层及近场尾流中速度型、湍流强度、雷诺正应力及切应力等的简况；文中着重分析了极低湍流度下（０．０２％）试验所得近场尾流中雷诺切应力的分布规律。结果表明，在尾流宽度方向及流动方向均有明显的规律性，且与常规风洞湍流度下结果相比，其有关特征值明显偏低。     

气体示踪法研究燃烧器横向湍流混合扩散特性

用气体示踪法对侧边风燃烧器弱旋流一次风和侧边直流二次风横向湍流混合扩散特性进行了详细研究，讨论了各截面混合物浓度分布规律及混合强度分布规律，分析对燃料着火的影响，同时利用湍流运动方程反算气体湍流扩散系数     

考虑湍流模型的板片空间结构风荷载下流固耦合模拟

大跨空间结构凭借其新颖的外形和较大的内部空间,已经成为常用的建筑结构.由于大跨结构刚度、质量较小,受到风荷载作用时力学响应较一般结构大,同时大跨结构附近极易出现湍流影响.本文基于显式大涡模拟(ILES)和S-A (Spalart-Allmaras)湍流模型,使用ABAQUS软件对矢跨比为1:2的空间板片结构在不同风速下的风压系数进行流固耦合(FSI)模拟.风速以及不同湍流模型对大跨板片风压系数分布的影响得到了考察,并与相关的风洞实验比较.同时对板片结构受风载的力学响应进行了分析.结果显示选用大涡模拟湍流模型和雷诺时均方程方法湍流模型的流固耦合板片空间结构模型得到的风压系数及其分布和风洞试验实测数据吻合均较好.     

网格湍流微结构的实验研究

本文试验研究了网格湍流从前期到后期整个连续衰变过程即湍能和Taylor微尺度随时间的变化规律,以及高阶速度相关系数的变化规律,试验结果是在一个低湍流度、低速风洞内,用TSI热线风速仪测得的,而拟均匀各向同性湍流是用在风洞试验段入口处加网格产生的,本文的试验结果与文献[1]提出的涡旋结构理论的计算结果做了比较,发现理论计算的和曲线与本文实测值非常吻合,本文的实测结果与Townsendt早年的试验以及Beanett七十年代末的试验也做了比较。结果表明,这些试验结果彼此也很一致,因而,所有这些试验结果与理论计算值都相互获得了验证。     

基于雷诺应力模型的平衡大气边界层模拟

基于雷诺应力湍流模型（简称RSM模型）,研究了平衡大气边界层风场数值模拟问题．假设流体不可压,且不计雷诺应力输运方程中的对流项、浮力产生项、系统旋转产生项和扩散项,在准各向同性的条件下,推导出RSM模型湍动能k的表达式是标准k-ε模型k常数表达式的0.893倍．考虑k沿高度变化的修正,根据在标准k-ε模型中满足水平均匀性的湍流来流边界条件,提出在RSM模型中产生平衡大气边界层的湍流来流边界条件．基于空风洞的数值模拟结果表明,与工程上常用的湍流来流边界条件相比,基于本文提出的湍流来流边界条件得到的风场水平均匀性更优,且在整个流域内,得到的雷诺应力剖面更合适．从而验证了该湍流来流边界条件的适用性．     

高超声速尾流及其气动、物理和化学性质(下)

七、尾流计算方法和湍流输运系数有关高超声速尾流的理论分析工作,始于前述Feldman[16]1961年的平衡层流尾流数值解。然而,除非飞行体在低空中以高超声速飞行,高熵的尾流总是处于化学非平衡之中,而在低空时,尾流又总是转捩为湍流,所以Feldman的计算多少有点自相矛盾。1962年,Lees和Hromas[41]首先对圆球尾流的湍流扩散问题进行了分析,他们采用雷诺相似假设,即假定质量、动量和能量的湍流输运之间存在着相似关系,并根      

脊状表面航行器模型减阻特性的风洞实验研究

针对航行器提高航程和航速的需要,开展脊状表面湍流边界层减阻的实验和数值仿真研究。在航行器模型的外表面加工具有特定形状、尺寸的脊状结构,导致湍流边界层的流动稳定性增强,壁面摩擦阻力降低。在风洞中对具有光滑表面和脊状表面的航行器模型在不同风速和攻角下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线。实验结果表明,具有横向脊状表面的航行器模型在一定来流速度范围内具有很好的减阻效果,实验获得的最大减阻量为23.5%。数值仿真结果则发现,在脊状结构内形成了稳定的"二次涡",边界层内湍动能和湍流猝发强度降低,很好地揭示了减阻机理。     

高层建筑标准模型风效应的阻塞效应试验研究

对一组阻塞比为1.7%～10.9%的高层建筑标准模型在均匀低湍流强度风场和均匀高湍流强度风场中进行了多点同步测压试验,研究了不同风场下阻塞效应对高层建筑风致响应和等效静力风荷载的影响。结果表明:当阻塞比不大于4.5%时,可以忽略高层建筑风致响应和等效静力风荷载的阻塞效应;当阻塞比大于4.5%时,在均匀低湍流强度风场中,高层建筑的风致响应和等效静力风荷载均随阻塞比的增大而增大;在均匀高湍流强度风场中,湍流强度的增大不同程度地削弱了阻塞效应的影响。基于试验结果,提出了高层建筑顶部平均位移、位移均方根和加速度均方根的阻塞效应修正公式,可应用于修正等效静力风荷载,修正效果较好。     

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.