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      

剪切湍流大尺度相干结构的模式研究

发展了一种计算剪切湍流大尺度相干结构的新模式．该模式的基础是认为大尺度相干结构为湍流场中流体脉动能量增长最快的那部分，且包含大部分的湍流脉动能量．在此基础上。通过对湍流相干能量方程的推演。建立了描述大尺度相干结构的特征控制方程，并应用Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ多项式方法求得湍流相干能量的最大增长率在波数空间的分布，从而获得对应的大尺度相干结构．应用该模式研究了槽流和一自然对流中的大尺度相干结构，得到的近壁区流动结构与实验现象十分接近．     

壁湍流相干结构和减阻控制机理

剪切湍流中相干结构的发现是上世纪湍流研究的重大进展之一,这些大尺度的相干运动在湍流的动力学过程中起重要作用,也为湍流的控制指出了新的方向.壁湍流高摩擦阻力的产生与近壁区流动结构密切相关,基于近壁区湍流动力学过程的减阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力,但是随着雷诺数的升高, 这些控制方案的有效性逐渐降低.近年来研究发现, 在高雷诺数情况下外区存在大尺度的相干运动,这种大尺度运动对近壁区湍流和壁面摩擦阻力的产生有重要影响,为高雷诺数湍流减阻控制策略的设计提出了新的挑战.该文将对壁湍流相干结构的研究历史加以简单的回顾,重点介绍近壁区相干结构及其控制机理、近年来高雷诺数外区大尺度运动的研究进展,在此基础上提出高雷诺数减阻控制研究的关键科学问题.      

关于湍流中术语Coherent Structure的中文译法

<正> 中文术语“拟序结构”来源于湍流研究中的英文术语“coherent structure”。 70年代初,对剪切层和自由射流的实验观察发现,这些湍流流动中存在着大尺度的涡旋结构。当初他们称之为大尺度“序的(ordered)”或“有组织的(organized)”结构,它对剪切流如混合层,边界层、射流和尾流的早期发展起着决定性的作用。1974年3月26—29日在英国Southampton召开的专题讨论会上,不少学者称之为“coherent      

湍流边界层外区相干结构的三维波模型

根据流动稳定性理论,提出了一种三维波模型来描述湍流边界层外区大尺度相干结构。计算所得流线图和等涡量线图较罗纪生,周恒（1993）的二维波模型更符合实验结果。说明该三维模型能够较好地反映湍流边界层外区大尺度相干结构的物理特征。     

壁湍流相干结构和减阻控制机理研究

剪切湍流中相干结构的发现是上世纪湍流研究的重大进展之一,这些大尺度的相干运动在湍流的动力学过程中起重要作用,也为湍流的控制指出了新的方向.壁湍流高摩擦阻力的产生与近壁区流动结构密切相关,基于近壁区湍流动力学过程的减阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力,但是随着雷诺数的升高,这些控制方案的有效性逐渐降     

湍流一般机理及其应用

本文综述了湍流机理发展中最重要的一些文章,包括:Brown-Roshko的混合剪切层中大尺度涡的发展;Perry和Chong的湍流边界层中A形涡结构的湍流机理;以及笔者提出的关于3维湍流场中涡结构的涡量脉动对流和扩散并存的一般机理。在一般机理基础上建立了判别流场的准则,列举了在固壁边界附近的猝发现象并展望它的未来应用。      

湍流边界层大尺度相干结构空间相位平均拓扑

湍流边界层大尺度相干结构(large-scale coherent structure,LSCS)是目前湍流边界层研究的热点之一.湍流边界层中存在大尺度相干结构均是通过各种谱的低波数峰值证实的,而对大尺度相干结构各种物理量的空间拓扑形态及其发展演化规律还缺乏研究.应用高时间分辨粒子图像测速多相机阵列系统,测量湍流边界层...     

关于湍流中的相干结构

长期以来,湍流实验一直在影响着人们对湍流本质的认识。近十几年来,同湍流的理论研究相比,实验观测处于明显的领先地位。在剪切湍流的实验中,值得重视的一个进展是发现了一种准秩序的相干(Coherence)结构。这种结构包括大尺度间歇(intermittent)现象和猝发(burst)过程。它表明湍流不应再看作一种完全无秩序的运动。了解和深入研究这种准秩序的相干结构是非常吸引人的。它将有助于弄清楚湍流发生和发展的机制,从而促进对湍流研究的突破。本文主要是把国际上有关相干结构的研究概况做一简单评介。在现代的实验中,曾经对发现相干结构起过重要作用的流场显示技术(如氢气泡技术),仍然一直被采用。热线风速仪虽然面临激光测速仪的挑战,但到目前为止,作为定量测量,还在广泛地应用着。其附属的数据处理系统,因电子技术和计算技术的飞跃发展,已得到很大的改进。值得注意的是      

充分发展自由湍流的直接数值模拟

讨论了充分发展自由剪切湍流在极限流动状态下数值模拟的方法。根据关于有结构的湍流的概念,对有序运动和大尺度涡的模拟提出了由非定常欧拉方程按基本网格和时间间隔作平均得到的离散耗散模型。借助于合适的耗散机理的概念反映了小尺度(小网格)脉动对不同尺度分辨率的贡献。湍流的随机分量根据动理学方程用蒙特-卡洛统计方法进行了模拟。所指出的方法大大地降低了对电子计算机能力的要求。所建议的算法的有效性,在有分离流物体的绕流问题中以及二维和空间流动的湍流尾流的演化问题中得到了证明。      

槽道湍流近壁结构的DPIV观测实验

采用DPIV系统(由两台CCD相机组成)对槽道湍流进行速度场时间历程的观测实验，通 过对大量测量结果的综合分析，取得了槽道湍流近壁结构的空间结构及其时间演化过程特征 的结果，可以揭示上扫下掠、湍流瞬时速度型等现象与大尺度涡演化的物理关系，解释若干 湍流大尺度结构的特征机理，还表明DPIV系统提供了一种定量观测湍流的时空结构特征的手 段.     

壁面湍流发卡涡包空间模态的TRPIV实验研究

运用高时间分辨率粒子图像测速(Time-resolved PIV简称TRPIV),测量得到平板湍流边界层流向/法向平面内瞬时速度矢量空间分布的时间序列;采用空间局部平均速度结构函数的概念,识别和提取湍流边界层中大尺度发卡涡包结构的空间特征。发现在湍流边界层中不同法向位置多个正负发卡涡包结构同时交替存在。这些分布在不同法向高度的发卡涡包结构之间通过倾斜的涡量剪切层相联系,构成了湍流边界层中内、外区紧密相连、相互作用的一种稳态的分布方式。     

壁湍流多尺度相干结构复涡黏模型的实验研究

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式.基于非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设.应用热线测速技术,在低速风洞中对湍流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位关系进行了实验测量.通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模型的合理性.     

基于单个压电振子的湍流边界层主动控制

利用安装在壁面上的单个压电振子周期振荡,采用开环主动控制方案,实现了对平板湍流边界层相干结构猝发的主动控制和壁湍流减阻.根据不同的输入电压幅值和频率,完成了10种工况的实验.在压电振子下游2mm处,用热线风速仪和迷你热线单丝探针,精细测量湍流边界层不同法向位置瞬时流向速度信号的时间序列,分析了在Re_?=2183压电振子振动对湍流边界层平均速度剖面、减阻率和相干结构猝发过程的影响.实验结果表明,施加控制的工况使平均速度剖面对数律层上移,产生减阻效果;压电振子振幅越大,减阻率越高,减阻效果越明显;通过对施加控制前后流向瞬时速度的多尺度湍涡结构脉动动能的尺度分析,当压电振子振动频率与壁湍流能量最大尺度的猝发频率相近时,减阻率达到最大,为25%,说明控制壁湍流能量最大尺度相干结构的猝发是实现壁湍流减阻的关键;通过对比相干结构猝发的流向速度分量条件相位平均波形,发现施加控制的工况中相干结构猝发流向速度分量的波形幅值明显降低,且流向速度在扫掠后期高速阶段迅速衰减,缩短了高速流体的下扫过程,说明压电振子的振动能抑制相干结构的高速流体下扫过程,减弱高速流体与壁面的强烈剪切过程,并使近壁区域相干结构的振幅显著减弱,迁移速度加快,从而减小壁面摩擦阻力.      

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.      

壁面加热湍流相干结构的子波分析实验研究

通过在平板湍流边界层沿流向固壁表面平行放置若干条通电加热的金属细丝,在平板表面形成沿展向周期性分布的温度场,利用该温度场引起的空气热对流,在湍流边界层近壁区域产生一组沿湍流边界层展向周期分布的大尺度流向涡结构,改变了平板湍流边界层中不同尺度结构及其能量分布。采用对壁湍流多尺度结构的子波分析表明,在湍流边界层近壁区域产生规则的流向涡结构将壁湍流各种尺度湍涡结构不规则的脉动有序地组织起来,抑制了壁湍流各种尺度湍涡结构脉动,特别抑制了能量最大尺度湍涡结构的脉动,减小由于湍流脉动引起的在湍流边界层法向和展向的动量和能量损耗,从而减小了湍流的阻力。     

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.     

双振子同异步振动主动控制湍流边界层减阻实验研究

本文以镶嵌在平板上沿展向对放的两个压电陶瓷振子为主动控制激励器,自主设计了零质量射流主动控制湍流边界层减阻实验方案.在风洞中开展了双压电振子同步和异步振动主动控制湍流边界层减阻的实验研究,实现了压电振子的周期扰动对湍流边界层多尺度相干结构的干扰和调制,施加控制后减小了壁面摩擦阻力,获得减阻效果.当异步控制100 V, 160 Hz工况时得到最大减阻率为18.54%.小波多尺度分析结果表明,施加控制工况中PZT振子的周期性扰动使得小尺度结构的湍流脉动强度增强,改变了近壁区大尺度和小尺度结构的含能分布,且异步控制工况比同步控制工况的减阻效果好.当双振子振动频率为160 Hz时,流向脉动速度的小波系数PDF曲线呈现出波动特征,尾部变宽显著,近壁湍流脉动更加有序和规则,湍流间歇性减弱.对小尺度脉动进行条件相位平均的结果表明,施加PZT周期扰动后使得大尺度结构破碎成为小尺度结构,小尺度脉动强度增强,实现减阻.随着流向位置离PZT振子越来越远,周期性扰动对相干结构的调制作用逐渐减弱.     

均匀各向同性湍流平衡区的标量谱

本文把von Kármán关于波数间相互作用的假设推广到标量的情况,得到标量谱传递函数的模化式,从而封闭了均匀各向同性湍流平衡区的谱方程。考虑到在平衡区的前部受到大尺度运动的影响,计入这一剪切效应可以合理地假设一维纵向动量谱的对数斜率达到—1时进入平衡区,由此可以根据实验数据及各向同性湍流一维谱和三维谱相互关系决定边界条件。通过数值方法解出的平衡区谱函数和实验结果相当一致。     

Experimental research on complex eddy viscosity modeling of multi-scale coherent structures in wall turbulence

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性 模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式. 基于非相干结构成分对相干结构贡 献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成 分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设. 应用热线测速技术,在低速风洞中对湍 流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位 关系进行了实验测量. 通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的 雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度 法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模 型的合理性.