不可压缩均匀各向同性湍流的统计理论

本文根据均匀各向同性湍流的涡旋结构理论,从Navier-Stokes方程出发,引进了准相似性条件,认为均匀各向同性湍流场在衰变过程中具有相似性,相似性尺度由表征湍流强弱的湍流脉动速度均方差q以及与特征涡旋尺度具有密切关系的湍流广义Taylor微尺度λ所决定,在对均匀各向同性湍流场计算中,假定湍流脉动在空间呈周期性,周期性尺度正比于λ。 本文对脉动速度等物理量用Fourier级数展开,将在物理空间上的计算转化到谱空间上,利用快速Fourier变换,采用前差格式和Leap-frog格式,对不同Reynolds数的均匀各向同性湍流场从衰变后期到前期进行了计算,得出了与实验较符合的结果。     

Navier-Stokes方程的求解和均匀各向同性湍流理论——数值计算和与实验的比较

本文是文献[2]的继续。主要是通过选择适当的初始条件,用数值方法进行求解。并把理论结果与实验作广泛的比较。文中计算了从衰变初期到衰变后期的整个过程的能谱函数、能谱交换函数、湍流能量的衰变、积分尺度、湍流微尺度、二元速度关联以及三元速度关联。所有计算的统计物理量与实验都符合得相当好,只在某些情况下测量间距较大时有些小的偏离。本文也证明了计算得的能谱函数和能谱交换函数,精确地满足谱空间的Karman-Howarth方程。     

大雷诺数平稳湍流的Markov过程描述

湍流扩散是湍流理论中的一个重要问题,并对大气污染等问题具有重要的实际意义。自从Taylor的文章起,五十多年来,许多作者运用拉格朗日观点处理平稳湍流中的扩散问题,取得了不少进展.但至今尚未从理论上解决湍流扩散的概率分布问题,只有解决了这一问题,才箅得到湍流扩散的完整的统计描述。 本文对大雷诺数平稳湍流这一情况,解决了概率分布问题。通过物理分析,文中阐明了大雷诺数平稳湍流可用Markov过程描述;论证了Fokker-Planck方程应采用本文的系数,得到了单粒子运动与二粒子相对运动的转移概率函数,从而得到平稳湍流中单粒子运动及二粒子弥散的完整的统计描述。由此作为特例,证明了单粒子扩散规律与二粒子弥散规律均满足正态性,从而证明了Batchelor的正态假设。此外,作为本文结果的推论,从理论上证明了脉动速度服从正态分布这一著名的实验事实。 关于二粒子相对速度与距离的弥散规律,以及Richardson定律的适用范围,本文与林家翘和W.H.Reid以及E.Krasnoff和R.L.Peskin的结果一致。本文公式当βt<<1时的渐近式与Obukhov一致,从而指明了Obukhov所给方程的局限性。     

表示湍流场的一种新设想

本文仿照量子场论中描述基本粒子产生湮灭的方法来描述湍流中涡旋的产生和消灭.因为当某一基本粒子存在的时候,我们可以认为它是一个不变实体,而湍流中涡旋则在时间过程中不断变化和耗散,所以在类比应用量子场论方法时首先要解决怎样的湍流涡旋可认为是同一个涡旋.根据线性化理论的特点,我们认为在时间过程中按相似性规律变化时湍流涡旋才算是同一个涡旋,而把不具有相似性的涡旋出现或消失,看成是方程(2.6)中相互作用项φ_i所引起的湮火和产生的结果.然后,我们采用和量子场论相类似的产生算符和消灭算符来描述湍流涡旋系统所处的状态.最后,我们利用原N-S方程中相互作用项来构成涡旋相互作用的“Schr?dinger”方程以描述其状态的变化.这样就得类似于量子场论的湍流涡旋相互作用理论.     

上升气泡群引起的湍流特性

在均质液体中对于水平均布气泡群的上升运动及其引起的液体介质中湍流运动特性的研究表明,至少在气泡间距与泡的最大直径之比2.5倍时,气泡形状和泡群平均终端速度与单气泡对应情形相近。实验用粒子示踪——二维图象处理技术,对上升气泡群引起的流体湍流特性进行了分析和处理,从得到的脉动速度均方根值、动能衰减规律、积分尺度与Taylor微尺度的演化规律以及速度关联的自保持性等结果看,这种气泡湍流可用均匀湍流理论模式来刻画,并与经典的栅格后湍流特征十分相近。     

大雷诺数平稳湍流对其中悬浮颗粒的带动程度统计判据

本文求出了大雷诺数平稳湍流中悬浮颗粒运动速度的平均值及速度平方的平均值,讨论了湍流脉动对颗粒的“带动程度”与湍流特征参数及颗粒参数的关系.给出了“完全带动”(即流体的速度与悬浮颗粒的速度相等)的统计判据.     

湍流的Markov过程理论与Kolmogoroff理论的联系以及对制Kolmogoroff定律的推广——Ⅰ.对两个理论关系的分析

本文全文分为两部分(Ⅰ和Ⅱ).第Ⅰ部分讨论了关于大雷诺数湍流的两种理论——拉格朗日观点的Markov过程理论与欧拉观点的Kolmogoroff理论之间的联系.指出:对位置和速度的联合过程进行Markov描述所需雷诺数与Kolmogoroff第二相似性假设所需雷诺数同样大;周期与T_u和T_f同阶的旋涡分别对应于Kolmogoroff理论的含能范围与耗损范围;Richarson定律的适用范围T_*≤t≤β-1对应于Kolmogoroff理论的惯性子范围,从而指出,两种理论从不同侧面反映了大雷诺数湍流的流场结构.在本文第Ⅱ部分,我们将利用第Ⅰ部分中阐述的物理想法以适当方式建立两种理论之间的某种定量的联系.从而由拉格朗日观点的弥散运动的结果得出欧拉观点的结构函数、关联函数和能谱函数.所得结果不但适用于惯性子范围,而且适用于尺度更大(或波数更小)的全部范围.熟知的Kolmogoroff“2/3定律”和“(-5)/3定律”为本结果在惯性子范国的渐近解.因而本结果是Kolmogoroff“2/3定律”和“(-5)/3定律” 的推广.     

壁湍流多尺度湍涡结构推广的自相似标度律

在水槽中测量了中等雷诺数下平板湍流边界层中的瞬时流向速度的时间序列,验证了Benzi提出的推广的自相似标度律,用子波变换将壁湍流脉动速度分解为多尺度湍涡结构的速度,研究了每一个尺度的湍涡速度结构函数的推广的自相似标度律。主要结论如下:湍流的统计性质是自相似的,这不仅适用于充分发展湍流,而且适用于中等雷诺数和低雷诺数湍流,而且具有相同的标度指数;推广的自相似标度律的适用的尺度范围远远大于惯性子区的范围,可以一直延伸至耗散区的尺度范围;推广的自相似标度律不仅适用于均匀各向同性湍流,也适用于剪切湍流如边界层湍流。     

常数速度梯度时均匀湍流的二元速度关联函数

在湍流脉动速度比较小的条件下,本文得到了富氏变换过后脉动速度方程的解.它所代表的涡旋,在平均速度梯度为小量时,化为具有常数平均速度梯度的、组成后期均匀各向同性湍流场的涡旋和组成后期各向异性湍流场的涡旋.利用不同时刻的这种涡旋解,组成定常的有常数平均速度梯度的湍流场,这个湍流场可以近似地表达槽流和管流近中心区域的湍流场.我们求得了这种湍流场的二元速度关联函数,包括纵向的关联系数f(γ/λ)和横向的关联系数g(γ/λ).并且和均匀各向同性湍流实验中的前期和后期的f(γ/λ)和g(γ/λ)进行了比较.并且弄清楚了速度梯度对关联系数f(γ/λ)所产生的影响,最后还得到了雷诺应力和涡旋粘性系数的表达式.     

三涡旋模式理论中小涡旋的二元和三元速度关联函数和网格湍流的衰变*

在三种涡旋分开考虑的湍流模式[1,2]里,我们用到了小涡旋的二元和三元速度关联函数。本文对小涡旋的二元和三元速度关联函数进行了讨论,并且对它们展开式的头几项中常用到的系数给出了表达式,最后,用它们讨论了网格湍流的衰减问题.计算结果与G.K.Batchelor和A.A.Townsend的实验[3]相符合得很好.     

稳定分层流动中湍流统计特性和输运特性的数值研究

采用大涡模拟方法研究了上下两层温度不同的稳定分层湍流,主要对其中的湍流尺度特性、统计特性和湍流输运特性,以及标量场的时空演化进行了分析研究.研究结果表明:浮力尺度沿流动方向先增加然后趋于某个稳定值,剪切越强,浮力尺度越大;翻转尺度沿流向也是逐渐增大,剪切越强,翻转尺度越大;统计特性的分析发现,在较大的区域内温度脉动的平坦因子都偏离Gauss分布,强分层条件下温度脉动的统计特性与速度脉动的统计特性有较明显差别;湍流混合的过程开始于小尺度运动,最后扩展到大尺度运动.     

大小涡旋分开考虑的模式理论

近年来,k-ε模式普遍流行,但它是一种梯度形式的模式理论。由于湍流涡旋的衰减时间极长,在一般的流动问题中,上游产生的大涡旋或附近产生的大涡旋在到达当地时还远远没有衰减掉,因此会对当地的流动产生很大的影响。根据不可逆热力学理论的基本原理,必须准平衡、准定常和小偏离的情形下,才能使用梯度形式的流和力的关系式。一般说来这对大涡旋是并不满足的,所以k-ε模式的应用有着很大的局限性。本文根据湍流的实际情况,把湍流脉动分成大涡旋和小涡旋两个组成部份,并且把大涡旋部份再分成局部产生的和上游流来或扩散过来的两个组成部份,这样就得到了由三个部份组成的湍流模式理论。     

旋转大气中运动的非线性相互作用和旋转适应过程

本文研究了在引力场和旋转力场中流体运动的基本规律性,提出“旋转适应”概念,证明在一定条件下有“旋转适应过程”,即运动最终趋向于轴对称带状环流状态,但在另一些条件下,则不可能有完全的适应,例如存在多个涡旋中心则永远不可能演变成轴对称环流,旋转适应过程可以解释大气运动中有“负粘性”、能量集中过程以及由低指数环流向高指数环流转换的过程。其次,文中指出高空强涡旋中心和地面上平流区的配置是决定中长期天气演变过程的主要因子,文中还讨论了能量沿不同尺度运动的转移过程,指出Fjφrtoft的结果不能直接应用,旋转大气运动不具有各向同性。     

大涡旋的分类和模式理论的封闭*

本文依据前文[1]大小涡旋分开考虑的湍流模式,对局部产生的湍流大涡旋引进了新的几率分布,由此引入了一种新的平均过程和平均值.通过这种平均,我们就可以把局部产生的湍流大涡旋和外来的湍流大涡旋进行严格的区分.然后,再引进适当的辅助条件和根据外来干扰的实际情况确定了外来大涡旋的耗散尺度l_N,使得湍流脉动二阶矩的方程组封闭,同时对前文[1]中的一些扩散系数进行了适当的修改.最后,得到了一个封闭的、能够数值求解的方程组.     

涡旋成对分布和对二元速度关联函数的影响

本文考虑了涡旋之间相互作用的影响,假定均匀各向同性湍流场是由涡旋对在整个空间等几率分布而成,这样计算出的二元速度关联函数f(γ/λ)在远处略有提高,这个结果是与Bennett和Corrsin的实验结果和其他实验结果相合的。     

二维剪切流的粘性-无粘湍流干扰理论

对二维不可压缩近壁剪切湍流,本文提出一个粘性-无粘湍流干扰理论.主要内容有:从分子粘性考虑出发确定干扰湍流的流动结构及其物理尺度,导出空间为小尺度的局部流动结构随顺流距离的演变规律,导出支配干扰湍流流动的简化Reyno-lds(SR)方程和扩散抛物化K-ε方程.该SR方程是作者早先提出的简化Navier-Stokes(SNS)方程的湍流形式,它的重要性质是“简化运算”和时间Reynolds平均运算的顺序可以交换.关于最大湍流剪应力、本理论计算值与实验测量值很好相符.经典湍流边界层理论、Clauser平衡湍流边界层以及湍流分离Triple-deck理论均是本文理论的特例.证实了顺流方向长度尺度随干扰增强而显著减小的实验结论.     

湍流的KdV-Burgers方程模型

本文在求得KdV-Burgers方程鞍-焦异宿轨道行波解析解的基础上,证实了高歌提出的把KdV-Burgers方程作为湍流规范方程的想法是有深刻意义的。文中分析了湍流涡旋的串级散裂过程,指出:由于湍流的间隙性,这种串级散裂过程是按等比数列进行的;其次,由行波解的扰动速度场求得了湍流能谱,在双对数坐标系中,其斜率在-1.76—-1.97之间,并用Frisch的间隙湍流模型,求得它的分数维在2.09—2.72之间,从而进一步论证了湍流的间隙性。最后,以大气动力学力例,简要地分析了湍流的耗散和色散效应的物理机制。     

恒星速度椭球分布的由来

恒星速度椭球分布是关于恒星运动的一个基本的观测规律,从本世纪初提出以来,它得到了进一步的观测证实,并在星系动力学研究中被广泛地运用.但是这一规律本身的由来——即恒星速度椭球分布最初是怎样形成的——却一直没有得到解释。根据恒星是从原始星云转化而来这一辩证唯物主义自然观,本文考察了银河系前身原始气体云内部的湍流运动,证明这种湍流运动必导致速度椭球分布。这一分布首先为星胚所继承,以后星场的随机引力则只是引起椭球参数和方位的变化。这样,便为恒星速度椭球分布的最初形成提供了一个解释。     

Navier-Stokes方程的求解和均匀各向同性湍流理论——理论与计算方法

本文是文献[1]的进一步发展。目的是要解决均匀各向同性湍流从衰变初期到衰变后期的整个流动问题。文中提出了一种求解Navier-Stokes方程的展开方法,得到了一组无穷多个二阶非线性偏微分方程。本文只考虑了零级近似。我们利用富利埃变换方法,在波数空间得到一个振幅函数所满足的非线性积分-微分方程。它实质上就是能谱的动力学方程。在下一篇文章中,将给出数值计算的结果和与现有实验的比较,两者符合是相当满意的。     

湍流的Markov过程理论与Kolmogoroff理论的联系以及对Kolmogoroff定律的推广——Ⅱ对Kolmogoroff“2/3定律”和“-5/3定律”的推广

在前一部分分析大雷诺数湍流的Markov过程理论与Kolmogoroff理论联系的基础上,以适当方式建立了两种理论之间的定量联系.从而由拉格朗日观点的弥散运动的结果得出欧拉观点的结构函数、关联函数和能谱函数.所得结果不但适用于惯性子范围,而且适用于比惯性子范围波数更小的全部范围.熟知的Kolmogroff“2/3定律”和“-5/3定律”为本结果当r很小(或k很大)时的渐近解.因而本结果是Kolmogoroff“2/3定律”和“-5/3定律”的推广.