二维槽道湍流数值模拟与自组织特性

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。     

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.     

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。     

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。     

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.      

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。     

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