湍流边界层对数律区相干结构的Tomo-TRPIV实验研究

应用层析高时间分辨率粒子图像测速技术（tomographic time-resolved particle image velocimetry，Tomo-TRPIV），测量了Re_θ=2 460的平板湍流边界层三维3分量瞬时速度场的时间序列.提出湍流空间多尺度局部平均速度结构函数的概念，应用流向脉动速度沿流向的空间多尺度局部平均速度结构函数的正负过零点法，从瞬时脉动速度场中检测相干结构的喷射和扫掠事件，对检测到的喷射和扫掠事件的瞬态局部速度场、速度梯度场、涡量场、速度变形率场进行空间相位对齐叠加平均，获得喷射和扫掠事件的局部速度场、速度梯度场、涡量场、速度变形率场的典型特征.研究发现，相干结构喷射和扫掠时，速度梯度、速度变形率、涡量均表现为空间反对称分布的4极子结构.特别是流向涡量是沿流向、法向、展向均为反对称分布的法向多层4极子结构，表明法向各层相干结构是紧密联系，互相关联的.这种法向多层的4极子反对称结构导致强烈的动量、质量和能量交换，维持了相干结构的演化和发展过程.      

湍流边界层拟序结构的大涡模拟研究

采用动力亚格子模型,利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。从瞬时速度和脉动 速度场、脉动速度相关、均方根脉动涡量分布、以及瞬时涡量场等多个方面,对湍流边界层流动的拟序结构进行了分析, 包括近壁区小尺度湍流结构和瞬态过程,如条纹结构、喷射和扫掠过程、以及近壁旋涡结构等。     

旋转体系中湍流的LBM模拟

采用基于多松弛时间因子的格子Boltzmann方法对旋转体系中的湍流进行数值研究,考察Rossby数和Ekman数对湍流的影响,包括湍流能量及其耗散率、速度、涡结构及湍流的耗散尺度即Kolmorogov尺度和积分尺度等.研究表明,系统的旋转延缓了湍流能量的衰减速率,逐步破坏初始涡结构的均匀性,与旋转方向相反的涡逐步被抑制,并最终形成若干与旋转同向的涡柱.结果还表明,系统旋转越快,湍流的耗散尺度越小而积分尺度越大.     

超声速湍流边界层湍流统计与湍流结构分析

可压缩边界层转捩问题与湍流问题一直是制约高超声速飞行器发展的关键基础问题,也是近年来流体力学领域研究的热点问题.采用直接数值模拟方法,获得了空间发展的Ma=2.25超声速湍流边界层流场,通过对湍流边界层的发展状态进行评估,得出有效的Reynolds数Re_θ范围约为2 600~4 600.对壁面摩阻系数开展了分解,获得了各分量的占比,对充分发展的湍流边界层进行1阶和高阶统计分析,包括形状因子、壁面律、平坦因子与偏斜因子、Reynolds应力、脉动涡量等,得到了剪切Reynolds数与动量Reynolds数之间的关系式,分析了湍流边界层壁面律的分层特性,发现湍流的间歇特性主要分布在y+ < 30的区域,并且法向速度脉动的间歇性远高于另外两者,3个方向上的Reynolds应力分布和涡量分布都存在较大差异.通过两点相关性分析和Lagrange涡结构,对近壁区湍流结构进行了分析,包括流向平面和展向平面,发现流向脉动速度的相关区域流向尺度较长,呈现狭长的特性,并且流向平面的相关系数与壁面存在一定的夹角;而在边界层外层,流向速度脉动相关区域的流向尺度变短而展向尺度增加,呈现宽胖型.研究结果进一步加深了对超声速湍流边界层的认识,为下一步湍流边界层的流动控制奠定了基础.      

钝体燃烧室热态流场的大涡模拟

对圆盘凸台钝体燃烧室的热态流场进行了大涡模拟,利用PIV实验数据,显示了大涡模拟对平均速度及均方根速度脉动量的预测与实验中的测量值基本吻合,模拟获得的钝体后回流区、钝体边缘存在的切应力层等湍流特征信息也得到了实验验证。采用两种不同亚网格模型的大涡模拟结果与实验对比表明,在流动情况特别复杂的区域,Germano动态亚网格模型对流场,尤其是湍流脉动的预测准确性要高于标准Smagorinsky亚网格模型。     

槽道流POD重构及湍流动能耗散率分析

采用二维粒子图像测速仪（2DPIV）对槽道内涡波流场进行实验研究,用POD技术对2DPIV瞬态速度矢量场进行主导模态重构,得到槽道内的平均流速和湍流动能分布;采用大涡PIV方法对湍流动能耗散率分布进行计算.结果表明：重构流场表征了原始流场的主导结构,剔除了噪声等干扰信息;大涡PIV方法能有效地估算动能耗散率的分布;湍流动能在壁面附近较小,在接近槽道中心区域湍流动能越来越大,呈现出射流的特征;动能耗散率的峰值出现在壁面附近和槽道中心区域,动能耗散率随着远离壁面程度的增加先降低后逐渐增加直至达到峰值.     

不同亚格子模型在亚声速槽道流大涡模拟中的应用对比

湍流边界层流动是一种广泛存在于飞行器内部和外部的流动现象，是基础理论和模型验证的重要研究对象.能够捕捉大部分流动细节且计算量适中的大涡模拟（large-eddy simulation，LES）方法在湍流数值模拟中得到了越来越广泛的应用.文章基于格心有限差分方法，使用4阶紧致中心格式离散N-S方程无黏项，分别应用5种不同的亚格子（subgrid-scale，SGS）模型，即隐式，SM（Smagorinsky model），DSM（dynamic Smagorinsky model），WALE（wall-adapting local eddy-viscosity model）和CSM（coherent structures model），对Re = 3 000，Ma = 0.5的等温壁面槽道流动进行了大涡模拟研究.与实验值和直接数值模拟（direct numerical simulation，DNS）结果对比后发现，流场平均温度、平均密度等热力学量以及平均流向速度对亚格子模型不敏感，不适宜作为判断模型优劣的判据.亚格子模型在壁面附近的耗散越大，壁面摩擦速度以及阻力系数就越小.对于与速度相关的脉动量来说，不同模型得到的结果在壁面和脉动峰值附近误差比较大，中心线附近较小；显式模型结果在流向速度峰值处均高于参考值，而在展向和壁面法向速度脉动峰值处则均偏低.考虑显式的4种模型在壁面附近的涡黏系数分布，DSM和CSM曲线满足涡黏系数与无量纲壁面距离3次方成正比的分布规律，SM曲线斜率偏小而WALE曲线斜率偏大.      

圆柱近尾迹湍流涡结构的直接数值模拟

本文运用谱元方法对圆柱尾流进行直接数值模拟。通过对中等Re数（1000）时的圆柱近尾迹湍流涡结构的演变系统细致的研究,经过长时间流动计算,用速度矢量及相应涡结构示意图显示主涡,二次涡结构的相互作用,显示整个尾迹涡结构在一个周期内的演变过程,获得了在实验中难以清楚观察到的近壁流动特征。本文得到圆柱近壁处二次涡形成有两种不同的机理,并总结出涡的合并所需要的条件。     

喷管出口处初始湍流结构对自由射流渐近扩张速率的影响

喷管出口处初始湍流结构对自由射流渐近扩张速率的影响吕盘明（中国科技大学热科学和能源工程系合肥２３００２６）关键词自由射流；边界条件；湍流模型；湍流结构１引言关于标准的ｋ－εＥＶＭ（涡粘性模型）的通用性有三个最最典型的疑难例子（或者说是佯谬）在很多文献...     

三维气固两相混合层湍流拟序结构的直接数值模拟

本文对三维气固两相混合层湍流拟序结构进行了直接数值模拟。气相流场应用拟谱方法对Ｎ－Ｓ方程组进行直接求解,通过模拟时间模式的混合层流动,分析流场失稳后涡的卷起、配对、合并及撕裂过程,研究三维混合层湍流拟序结构的演变特征;计算颗粒场时,采用Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ方法,针对颗粒不同的Ｓｔｏｋｅｓ数,模拟了颗粒场的瞬态分布,并分析流场三维大涡结构对颗粒分布的影响。     

二维槽道湍流拟序结构的大涡模拟

本文采用大涡模拟的方法,对二维槽道湍流流动进行了数值模拟。采用Chorin的分步投影法求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡采用三种亚格子（SGS）模式分别模拟,给出了不同亚格子涡粘性模式下的模拟结果。对固壁面采用了壁函数。模拟结果再现了二维槽道流动拟序结构的发展演变过程。通过对不同入口速度下的瞬态流场的比较,揭示了入口速度分布对流场的影响。     

湍流场中被动标量的细微结构

本文采用直接数值模拟方法,在具有平均标量梯度的各向同性湍流中,研究被动标量的小尺度结构特性及其与湍流场中应变与涡量的关系.对欧拉统计量及拉格朗日统计量的统计表明:标量耗散的形成主要是由于标量梯度同流场的应变张量压缩主轴耦合的结果,而涡量对标量梯度的形成只有较弱的影响,然而它可以间接影响大强度标量耗散的产生.强标量耗散的细微片状结构的形成时间尺度大约为10倍Kolmogrov时间尺度;在形成强标量梯度的细微片状结构过程中,应变强度随标量梯度同步增大,而涡量则先减小后增大,并在5倍Kolmogorov时间尺度时达到最大.     

来流边界层对三角翼诱导涡特性的影响

三角翼是涡发生器的主要结构型式,用于涡发生器的三角翼常处于翼面边界层内。本文采用数值求解雷诺平均NS方程的方法,以平板上一个三角翼模型为研究对象,研究不同来流边界层速度型(均匀分布、湍流边界层速度型和层流边界层速度型)和5种边界层厚度条件下,三角翼诱导涡沿流向的最大涡量分布规律及衰减规律。结果表明,湍流边界层下三角翼诱导涡最大涡量值要大于层流边界层,且边界层高度越低,诱导涡最大涡量值越大。     

双半球粗糙元对湍流边界层的影响

采用直接数值模拟的方法,对湍流边界层内加入两个半球粗糙元的流动进行研究,探索加入粗糙元后流场的边界层厚度、速度场、涡量、压力梯度等统计量规律。发现加入粗糙元后,原来的流场结构受到了粗糙元的破坏,层流受到这种强影响而转化为湍流,边界层的厚度在波动中不断增大。半球粗糙元造成了其表面上边界层的分离,并在后方产生了对流场的作用强烈的强雷诺应力区域。     

应用哈特曼-夏克波前传感器测量大气湍流参数

对非科尔莫戈罗夫（Kolmogorov）湍流情况,在利用哈特曼－夏克（Hartmann-Shack)波前传感器的波前斜率测量原理并结合其时空结构及相关分析的基础上,提出了一种应用斜率结构－相关函数和斜率归一化相关系数测量大气湍流参数β（归一化相位空间功率谱指数下降因子）和ρ0（大气湍流强度）的新方法。利用这种方法对1km激光水平大气传输实验数据进行了分析。     

切向管结构对涡流二极管性能影响的数值模拟

为研究涡流二极管切向管结构对其性能及内部流场的影响,本文采用SIMPLE算法、κ-ε模型对锥角为0.(直筒型),3°、5°、7°和10°的五种切向管结构模型进行了数值模拟.结果表明:随着切向管锥角的增大,由于强制涡速度的提高,反向阻力系数随之增大,同时由于切向管中涡量的增大,正向阻力系数也随之增大.直筒型切向管结构ε值...     

空间发展湍流气粒两相平面混合层的大涡模拟与统计

本文对空间发展的湍流气固两相平面混合层流动进行了大涡模拟研究,其中气相亚网格尺度（SGS）使用结构函数模型,气相控制方程组采用SIMPLE方法求解,固体颗粒运动用拉格朗日方法计算。计算结果正确重现了流体涡结构的卷起、合并和破碎过程,以及小尺寸颗粒在涡边缘（低涡度区）的局部富集现象。对直径分别为42μm、72μm和135μm分别进行了模拟,并将统计结果和实验测量结果（Hishida　et　al[1]）比较,表明两者的平均速度吻合很好,但颗粒数密度和脉动速度存在较明显的差异,因此有必要对亚网格应力和颗粒之间的耦合作用以及拟序结构的三维性对颗粒运动的影响开展深入研究。     

确定分布的展向Lorentz力调制下的槽道湍流涡结构

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究.讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后,流场的特性和涡结构的特性,并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论.研究发现:1)Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层,该剪切层容易形成流向涡结构;2)在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下,湍流流场仅剩周期分布的准流向涡;3)与未控制流场相比,控制后的流场中,准流向涡的抬升高度大大降低,从而减小猝发强度,使壁面阻力下降.     

气固两相平面混合层的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟(DNS)方法研究了气固两相混合层的涡量场和颗粒扩散,分析了湍流混合层中涡结构的卷起和配对过程,并讨论了大尺度涡结构的配对过程对平均速度、雷诺应力的影响。同时分析了混合层中不同Stokes数的颗粒在涡结构的作用下的混合和扩散。结果显示Stokes数为1的颗粒主要分布在流场大尺度涡结构的外边界,而Stokes数为0.01在涡结构的作用下,在流场中充分混合。     

椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输特性

本文采用分步相位屏方法来仿真椭圆涡旋光束在海洋中的实际传输情况,并对椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输光强和闪烁因子进行了仿真。研究发现,椭圆涡旋光束在海洋传输过程中,光斑会发生明显的旋转,同时光斑会产生暗核且暗核个数与光束的拓扑荷数相等。一个拓扑荷数为m的相位奇点会分裂成m个拓扑荷数为1的相位奇点,并且海洋湍流越强,光斑受到的干扰越严重。研究还发现,在较弱的海洋湍流中,随着传输距离的增加,椭圆涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束和涡旋光束的闪烁因子,而且在远距离处拓扑荷数越大闪烁因子降低越明显,同时也发现,传播一段距离后涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束的闪烁因子。在较强湍流中,椭圆涡旋光束的闪烁因子会交叠在一起。对于不同强度的海洋湍流,随着均方温度耗散率的增大,椭圆涡旋光束的轴上点闪烁因子也增大。在同一传输距离处,束腰宽度越小的椭圆涡旋光束闪烁因子越小。