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.     

雷诺应力各向异性涡黏模型的层析TRPIV测量

利用层析TRPIV测量水洞中平板湍流边界层3D-3C速度场的高分辨率时间序列数据库. 提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念, 描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转. 用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解. 用空间流向局部平均多尺度速度结构函数, 根据湍流多尺度涡结构在流向的拉伸和压缩物理特征, 提出了新的湍流相干结构条件采样方法, 检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构“喷射”和“扫掠”事件中的脉动速度、平均速度变形率、雷诺应力等物理量的空间拓扑形态. 通过研究平均速度变形率各分量与雷诺应力各分量之间的空间相位差异,肯定了壁湍流相干结构雷诺应力各向异性复涡黏模型的合理性.      

湍流边界层相干结构剩余脉动雷诺应力项的实验测量

用IFA300恒温热线风速仪和X形二分量热线探针以采样间隔小于湍流耗散时间尺度的分辨率精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号。用条件采样和相位平均技术提取了相干结构猝发过程中相干结构剩余脉动雷诺应力和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力的条件相位平均波形。基于理论上对湍流相干结构动量方程中随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力和相干结构剩余脉动雷诺应力项的分析,对两种雷诺应力项进行了对比研究。研究发现,相干结构剩余脉动雷诺应力项在数值上具有和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力相同的数量级,表明在相干结构动力学模型方程中,相干结构剩余脉动雷诺应力项并不像以前估计的那样可以忽略不计。     

壁湍流猝发过程中速度分量的相位差对雷诺应力影响的实验研究

用IFA300恒温热线风速仪和×形二分量热线探针,以采样间隔小于最小湍流时间尺度的分辨率,精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、展向速度分量的时间序列信号.用子波分析辨识壁湍流相干结构猝发事件的能量最大准则,确定壁湍流相干结构猝发事件的时间尺度;用条件相位平均技术提取了相干结构猝发过程中流向、展向脉动速度分量条件相位平均波形,用互相关方法研究了相干结构猝发过程中流向、展向脉动速度分量条件相位平均波形的相位差关系及其对雷诺应力的影响,发现在缓冲层和对数律区,展向脉动速度与流向脉动速度的条件相位平均波形具有不同的相位;当两者相位基本一致时,雷诺应力达到正的最大值,此时湍流相干结构的产生非常活跃;当两者相位差分别集中在90°和270°附近时,雷诺应力的幅值减小并接近于零,此时湍流相干结构的产生和猝发都得到了抑制.     

壁面定常波纹状吹吸槽道流中湍流特性的研究

在非平衡湍流中，如具有周期性边界条件的流动，由于雷诺应力与平均流速的变形率有着 不同的性质，当周期性边界条件发生变化时，雷诺应力和平均流速变形率的相位对边界条件 的响应也不同，但是二者的相位差在相当大的范围内是稳定的. 这一特性加深了对雷诺应力 的认识，并对非平衡湍流中的模式理论及大涡模拟中亚格子雷诺应力模式的建立提出了许多 需要注意的问题. 利用层流模型，把空间周期性边界条件作为某种扰动，研究了扰动 及其非线性项的分布以及相位间的关系，得到了一些有益的结果.     

含有周期涡结构的湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的迟滞效应

针对存在时空周期涡旋结构的湍流场，对湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的空间迟滞效应进行了实验研究，发现二者流向相位差呈周期变化．在低速回流式水槽中，利用二维高时间分辨率粒子图像测速(TimeResolved Particle Image Velocimetry, TRPIV)技术，对Re=324的圆柱尾流流场进行测量．经过49个周期166个相位的8 215个PIV瞬时流场，经过周期相位平均，得到一个周期内不同相位典型的湍流雷诺应力和平均速度梯度的空间分布．利用湍流雷诺应力相位平均图像和平均速度梯度图像在不同时间相位下的空间互相关函数最大值对应的流向空间距离，得到湍流雷诺应力与平均速度梯度之间沿流向的空间相位差，并绘制流向相位差随周期相位的演变过程．本文验证了湍流复涡黏模型的合理性，为建立符合周期涡旋结构物理机理的湍流模型研究提供了实验依据．     

求解复杂湍流的非线性涡黏性系数模型和代数应力模型

非线性涡黏性系数模型和代数应力模型联系了线性涡黏性系数湍流模型和完整的微分 雷诺应力模型.随着它们受到日益关注,其形式也越来越多样化.本篇综述的目的是对这些模 型加以总结并比较它们之间的共同点及不同之处,指出它们与完整微分雷诺应力模型之间的 关系,以及相对于线性涡黏性系数模型而言它们在预报流场上所具有的优势.     

湍流边界层复涡黏模式的实验研究

在开口式循环水槽底部湍流边界层外区引入周期性扰动。利用X型热膜探针在扰动下游进行测量。用实验的方法研究了周期性大尺度结构下壁湍流涡黏模式中涡黏系数的形式，结果发现和周期性扰动对应的变形率及与之对应的雷诺应力间存在着相位差。这是目前许多最终导致涡黏系数的湍流模式理论都没有考虑到的一个重要因素。     

输气管道壁面涂料减阻机理的实验研究

用IFA-300热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量了风洞中不同壁面涂料的管道湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号,利用湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏性系数等内尺度物理量的关系和壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系,在准确测量湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上,间接测量湍流边界层的壁面摩擦阻力．对不同壁面涂料的壁湍流脉动速度信号用子波分析进行多尺度分解,用子波系数的瞬时强度因子和平坦因子检测管道湍流边界层中的多尺度相干结构,提取不同尺度相干结构的条件相位平均波形,对比研究输气管道壁面涂料的减阻机理．     

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.      

Large eddy simulation of high-Reynolds-number atmospheric boundary layer flow with improved near-wall correction

It is highly attractive to develop an efficient and flexible large eddy simulation(LES)technique for high-Reynolds-number atmospheric boundary layer(ABL)simulation using the low-order numerical scheme on a relatively coarse grid,that could reproduce the logarithmic profile of the mean velocity and some key features of large-scale coherent structures in the outer layer.In this study,an improved near-wall correction scheme for the vertical gradient of the resolved streamwise velocity in the strain-rate tensor is proposed to calculate the eddy viscosity coefficient in the subgrid-scale(SGS)model.The LES code is realized with a second-order finite-difference scheme,the scale-dependent dynamic SGS stress model,the equilibrium wall stress model,and the proposed correction scheme.Very-high-Reynolds-number ABL flow simulation under the neutral stratification condition is conducted to assess the performance of the method in predicting the mean and fluctuating characteristics of the rough-wall turbulence.It is found that the logarithmic profile of the mean streamwise velocity and some key features of large-scale coherent structures can be reasonably predicted by adopting the proposed correction method and the low-order numerical scheme.     

Coherent fine scale eddies in turbulence transition of spatially-developing mixing layer

To investigate the relationship between characteristics of the coherent fine scale eddy and a laminar–turbulent transition, a direct numerical simulation (DNS) of a spatially-developing turbulent mixing layer with Re_ω,0 = 700 was conducted. On the onset of the transition, strong coherent fine scale eddies appears in the mixing layer. The most expected value of maximum azimuthal velocity of the eddy is 2.0 times Kolmogorov velocity (u_k), and decreases to 1.2u_k, which is an asymptotic value in the fully-developed state, through the transition. The energy dissipation rate around the eddy is twice as high compared with that in the fully-developed state. However, the most expected diameter and eigenvalues ratio of strain rate acting on the coherent fine scale eddy are maintained to be 8 times Kolmogorov length (η) and :β:γ = −5:1:4 in the transition process. In addition to Kelvin–Helmholtz rollers, rib structures do not disappear in the transition process and are composed of lots of coherent fine scale eddies in the fully-developed state instead of a single eddy observed in early stage of the transition or in laminar flow.     

Multi-scale coherent structures in turbulent boundary layer detected by locally averaged velocity structure functions

Introduction Inearlyperiodofstudyofturbulentflow,itwasdeemedrandomanddisorderedmotionsof fluidparticles,sothecharacteristicsofturbulencewerestudiedbystatisticsaveragemethod. Kolmogorov[1]analyzedtherelativemotionoffluidparticlesinfullydeveloped(Reynolds numbertrendstoinfinity)isotropicandhomogeneousturbulentflow,onbasisofrandomfield theory,andpresentedtheconceptofstructurefunctions,whichdescribedtherelativevelocityof twofluidparticlesindistanceofl,toresearchthelawbetweenthemulti_orderstatistic…     

Subgrid-Scale Stress Modelling Based on the Square of the Velocity Gradient Tensor

A new subgrid scale model is proposed for Large Eddy Simulations in complex geometries. This model which is based on the square of the velocity gradient tensor accounts for the effects of both the strain and the rotation rate of the smallest resolved turbulent fluctuations. Moreover it recovers the proper y ³ near-wall scaling for the eddy viscosity without requiring dynamic procedure. It is also shown from a periodic turbulent pipe flow computation that the model can handle transition.     

后台阶分离流动中大涡结构演变的数值模拟

本文对后台阶分离流动中涡结构的演变进行了大涡模拟，研究了流场结构的变化规律。详细讨论了随着雷诺数的增加流场结构的典型特征的变化规律，指出流场中的涡结构随着雷诺数的增大变得十分复杂和丰富，回流区的数目、大小及其出现的位置也显著地不同。这些结果与已有的一些实验值和流场显示结果是吻合的。在此基础上，进一步研究了高雷诺数时流场中大尺度涡结构的瞬时发展和演化过程，展示了其中大涡的产生、追随、吸引、合并和破碎等过程。对于高雷诺数情况，对大涡模拟得到的数值结果进行了统计，得到的时均速度分布以及台阶后方的回流区长度与现有的其他实验结果符合得很好。本研究是针对后台阶分离流动深入开展湍流控制以及两相流动研究的基础。     

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。