湍流研究国家重点实验室研究动态

湍流研究国家重点实验室研究动态梁彬北京大学湍流研究国家重点实验室,北京１００８７１湍流研究国家重点实验室一直是以基础研究为主,着眼于湍流发生发展的机制,从理论、计算和实验方面进行研究．实验室也兼顾应用基础研究,在环境流体力学、大气边界层模拟和风工程研...      

热湍流研究的新十年:从聚焦传统到延伸拓展

热湍流(浮力驱动湍流)作为一种典型的湍流现象,广泛存在于自然界和工程应用中. Rayleigh-Bénard (RB)湍流是从众多自然现象中抽象出来研究热湍流的经典模型, RB湍流的典型特征是系统中存在大尺度环流和羽流等不同尺度的湍流结构,这些结构通过作用于边界层,影响RB湍流的输运效率.因此,明确不同尺度湍流结构的生成、演化和作用机理,对理解RB湍流的输运特性至关重要,也是通过控制湍流结构调控输运效率的科学基础.本文重点从湍流结构的时空演化规律、输运特性、湍流调控和热湍流在其他领域的拓展四个方面评述近十年来RB湍流研究所取得的新进展,并对今后的研究方向做出展望.     

表面活性剂减阻溶液湍流流动研究进展

与聚合物添加剂相比,表面活性剂具有寿命长,不受机械力和高温影响发生降解的特点,目前被认为是最具有适用价值的减阻添加剂．针对表面活性剂湍流减阻机理,尽管已经开展了大量的实验研究、理论分析和数值模拟,但仍处于探索阶段,尚未定论．文中对目前国内外有关表面活性剂减阻溶液湍流流动的研究如平均速度、湍流强度、雷诺应力和相关系数等湍流统计量以及取得的成果进行了归纳和总结．目前普遍认为阻力减小是由流动垂直方向的湍流强度受抑和脉动速度分量解耦导致雷诺应力极大降低引起的．分析了目前研究存在的问题,对今后继续开展研究提出了自己的观点．      

湍流扩散多相流

湍流扩散多相流在许多工程和环境科学实际应用中十分常见.流体相中的湍流和扩散相的随机本质使得湍流扩散多相流中遇到的问题远比单一流体中遇到的湍流现象复杂得多.首先评述了湍流扩散多相流研究中实验技术和数值计算方面的现状、各自的优点与局限性,以及该领域研究中未来面临的挑战.主要关注湍流扩散多相流研究中以下3方面重点内容:颗粒、液滴和气泡的选择性聚积;湍流对流体相和扩散相耦合作用的影响以及颗粒物和气泡的存在对流体相中湍流的调节机制.     

基于NPLS技术的可压缩湍流机理实验研究新进展

可压缩湍流机理的实验研究是一件难度很大的工作, 其主要的难度在于高时空分辨率的可压缩湍流结构非接触精细测试技术和低噪声的高速风洞设备技术. 近几年来, 由于在低噪声的超声速、高超声速风洞研究和可压缩流动精细结构测量技术研究方面取得的重要进展及其在可压缩湍流机理研究方面的应用, 超声速流动转捩与湍流的机理研究取得了较大的进展. 本文介绍了最近几年高速流动非接触精细测试技术, 尤其是基于纳米粒子的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering, NPLS)、背景导向纹影技术(background oriented schlieren, BOS) 和超声速流场的粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)的研究进展和发展前景, 以及基于这些技术, 在可压缩湍流机理实验研究方面的进展和发展前景, 其中包括在超声速混合层转捩、超声速绕流与尾流结构、超声速边界层转捩、激波边界层干扰等典型流场的机理研究方面, 以及气动光学机理研究方面的研究进展. 最后, 展望了目前湍流机理实验研究对湍流工程模型研究的可能贡献.      

基于流动仿真大数据应对旋涡-湍流的研究进展

文章以流体科学进入二十一世纪后，在大规模超算、云存储、数据通信和人工智能为支撑的大数据时代背景下，结合目前在复旦大学航空航天系所构建的热流体湍流直接数值仿真数据库，以及复旦大学团队近期与美国德州大学刘超群教授、上海理工大学蔡小舒教授以及国内水动力学杂志编辑部所合作开展的第三代涡识别技术研究，初步概念性地展示旋涡和湍流，特别是针对有工程实际背景和直接应用价值的壁湍流，在这两个流体力学关键基础议题上的最新认知，和基于大数据深度学习的相关湍流工程模拟实践成果．这些成果包括：(1) 基于第三代涡识别技术的尾迹湍流中的涡运动学和动力学探索；(2) 流-热统一完整的类-1、类-2湍流边界层壁面律构建；(3) 基于第三代涡识别量对Kolmogorov 幂次律的再认知；(4) 基于DNS统计数据和神经网络深度学习构建新型湍流封闭模型及RANS计算实践．通过这些成果展示，论证解决这两个基础流体科学议题的技术路径，进而促进流体及相关学科研究在现代大数据背景下取得实质性进展和突破，并惠及现代流体、气动、水利、动力和化工等工程领域．     

旋涡结构的湍流统计理论

旋涡结构的湍流统计理论是已故周培源教授在20世纪50年代率先提出来的.经过他和他的学生近半个世纪的努力,已经形成具有自身特色的湍流统计理论.在纪念周培源教授诞辰100周年的时候,特贡献本文作为对一代宗师的怀念.本文是这个理论的一个总结和概括,其中包括:作为湍流元的旋涡结构解的寻找,可能存在的不同旋涡结构解的类别和叠加,统计平均方法的选取和操作,统计平均物理量的规律的探索等.      

湍流冲击射流流动与传热的数值研究进展

湍流冲击射流由于其冲击表面时具有很高的局部传热率和冲击力,被广泛应用于如表面的加热、电子元件的冷却、纸张的干燥和材料的切割等工程应用和工业过程中.由于其流动的复杂性,也常被作为一种理想的测试实例来评价湍流模型的性能.此外,湍升力射流与地面之间的空气动力作用对V/STOL (垂直或短距离起落)飞机的性能具有很大的影响.长期以来,人们从理论分析、实验测量和数值模拟方面对冲击射流进行了广泛而系统的研究,积累了丰富的资料.本文在分析了湍流冲击射流的数值研究现状的基础上,对近年来有关湍流冲击射流流动与传热的数值研究方面的文献有选择地进行了综述,重点评述了不同湍流模型对冲击射流流动与传热的预测能力,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.      

湍流研究的现状和进展

本文对一百多年来湍流研究的进展作了简要回顾,并着重评述了湍流模式理论、切变湍流的相干结构和湍流数值模拟的最新成就,对湍流研究的发展提出了一些建议和设想.     

振荡边界层研究及其应用

综述了振荡边界展的研究现状,包括:层流边界层,转捩和湍流边界层的理论、数值和实验研究的最新进展．在自然界,最典型的例子是波浪、潮汐作用下的水底边界层．同时讨论了水底边界层的特点及其中物质输送的动力学过程,还给出了实际应用的例子．      

Two-phase turbulence models for simulating dense gas-particle flows

The two-fluid model is widely adopted in simulations of dense gas-particle flows in engineering facili- ties. Present two-phase turbulence models for two-fluid modeling are isotropic. However, turbulence in actual gas-particle flows is not isotropic. Moreover, in these models the two-phase velocity correlation is closed using dimensional analysis, leading to discrepancies between the numerical results, theoretical analysis and experiments. To rectify this problem, some two-phase turbulence models were proposed by the authors and are applied to simulate dense gas-particle flows in downers, risers, and horizontal channels; Experimental results validate the simulation results. Among these models the USM-O and the two-scale USM models are shown to give a better account of both anisotropic particle turbulence and particle-particle collision using the transport equation model for the two-phase velocity correlation.     

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.     

Two-phase turbulence models for simulating dense gas–particle flows

The two-fluid model is widely adopted in simulations of dense gas–particle flows in engineering facilities. Present two-phase turbulence models for two-fluid modeling are isotropic. However, turbulence in actual gas–particle flows is not isotropic. Moreover, in these models the two-phase velocity correlation is closed using dimensional analysis, leading to discrepancies between the numerical results, theoretical analysis and experiments. To rectify this problem, some two-phase turbulence models were proposed by the authors and are applied to simulate dense gas–particle flows in downers, risers, and horizontal channels; Experimental results validate the simulation results. Among these models the USM-Θ and the two-scale USM models are shown to give a better account of both anisotropic particle turbulence and particle–particle collision using the transport equation model for the two-phase velocity correlation.     

Evaluating turbulence model predictions of transition

This paper presents initial results from a collaborative assessment of turbulence model predictions for transition under the influence of free-stream turbulence. Results are presented from a number of test cases and some recommendations are made as to the best present models for use in engineering design codes.     

A NON-ISOTROPIC MULTIPLE-SCALE TURBULENCE MODEL

This paper describes a newly developed non-isotropic multiple-scale turbulence model(MS/ASM)for complex flow calculations.This model focuses on the direct modeling of Reynolds stresses and utilizes split-spectrum concepts to model multiple-scale effects in turbulence.Validation studies on free shear flows,rotating flows and recirculating flows show that the current model performs significantly better than the single-scale k-εmodel.The present model is relatively inexpensive in terms of CPU time which makes in suitable for broad engineering flow applications.     

Nonlinear turbulence models for predicting strong curvature effects

Prediction of the characteristics of turbulent flows with strong streamline curvature, such as flows in turbomachines, curved channel flows, flows around airfoils and buildings, is of great importance in engineering applications and poses a very practical challenge for turbulence modeling. In this paper, we analyze qualitatively the curvature effects on the structure of turbulence and conduct numerical simulations of a turbulent Uduct flow with a number of turbulence models in order to assess their overall performance. The models evaluated in this work are some typical linear eddy viscosity turbulence models, nonlinear eddy viscosity turbulence models （NLEVM） （quadratic and cubic）, a quadratic explicit algebraic stress model （EASM） and a Reynolds stress model （RSM） developed based on the second-moment closure. Our numerical results show that a cubic NLEVM that performs considerably well in other benchmark turbulent flows, such as the Craft, Launder and Suga model and the Huang and Ma model, is able to capture the major features of the highly curved turbulent U-duct flow, including the damping of turbulence near the convex wall, the enhancement of turbulence near the concave wall, and the subsequent turbulent flow separation. The predictions of the cubic models are quite close to that of the RSM, in relatively good agreement with the experimental data, which suggests that these models may be employed to simulate the turbulent curved flows in engineering applications.     

Parameter estimation of engineering turbulence model

A parameter estimation algorithm is introduced and used to determine the parameters in the standardk-∈ two equation turbulence model (SKE). It can be found from the estimation results that although the parameter estimation method is an effective method to determine model parameters, it is difficult to obtain a set of parameters for SKE to suit all kinds of separated flow and a modification of the turbulence model structure should be considered. So, a new nonlineark-∈ two-equation model (NNKE) is put forward in this paper and the corresponding parameter estimation technique is applied to determine the model parameters. By implementing the NNKE to solve some engineering turbulent flows, it is shown that NNKE is more accurate and versatile than SKE. Thus, the success of NNKE implies that the parameter estimation technique may have a bright prospect in engineering turbulence model research.     

磁流体湍流及数值模拟研究综述

自从20世纪90年代初,AJAX计划的提出掀起了磁流体技术的研究热潮.本文总结了国内外关于磁流体湍流研究的成果,包括两方面:磁流体湍流的特点和数值模型.相比于普通湍流,磁流体湍流表现出电磁诱导的各向异性、线性焦耳耗散、湍流重层流化等特性,本文同时对磁流体湍流的结构和脉动抑制现象进行了描述:数值模型研究从雷诺平均方程和大涡模拟两方面作了介绍.当前研究集中在不可压缩磁流体湍流,距离能够应用于航空航天问题还有很长的路要走.     

工程湍流模式理论综述及展望

本文讨论了国内外湍流模拟的现状和发展趋势．指出湍流模式的建立除了应遵循理性力学原则外,还必须密切结合工程流体的复杂流动现象,如对具有浮力的回流、分离流及强旋流的模拟,对逆梯度的输运模拟,对单相流、多相流,单流体、多流体的湍流牛顿流体及湍流的非牛顿流体的模拟．应加深对湍流机理的认识,改进湍流模拟手段,结合工程实际,提出较为通用的工程湍流模式．