可压缩各向同性衰减湍流直接数值模拟研究

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性 和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等. 研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大 尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量(压缩)耗散率所占比率也显著增长. 标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高(p ≥ 5)时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立. 对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的 间歇性要强于横向湍流脉动.     

湍流能量耗散率标度律实验研究

应用粒子图像测速(PIV)系统对平板湍流边界层内流向和法向的瞬时速度进行了测量。湍流的能量耗散率由轴对称假设得到,同时在研究湍流动能耗散率标度律的过程中采用传统的统计学方法。实验结果显示,对于不同尺度上和不同法向位置湍流耗散率标度律来说,湍流耗散主要发生在小尺度上,也就是说湍动能耗散率标度律在小尺度上具有普适性。另外,根据层次结构理论假设,通过PIV实验数据对最高激发态的标度指数进行了研究,结果发现,最高激发态存在绝对标度指数,并且绝对标度律是由信号中最强耗散涨落的局部结构产生的。     

用子波变换检测壁湍流信号局部标度指数

本文用子波变换检测了刻画壁湍流脉动信号自相似性的局部标度指数，研究了不同尺度的湍流结构的自相似性，发现在湍流边界层猝发过程中，喷射和扫掠发生时刻小尺度脉动速度信号的局部标度指数为负值，说明在大尺度猝发事件发生的时刻小尺度结构具有奇异的自相似性，在猝发过程中其作用不仅仅是对湍能的耗散．     

自由端射流多尺度湍涡结构标度律的实验研究

利用后向接收式激光多普勒测速仪（ＬＤＶ）对自由湍射流进行了测量,我们对采集到的充分发展的湍流信号先求其１－８阶的结构函数及其标度指数,结果验证了Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ提出的标度律理论。然后用子波变换将自由湍流脉动速度分解为多尺度湍流结构,研究每一个尺度湍涡速度的结构函数的标度律及其与湍涡速度的自相关函数的关系。     

自由湍射流多尺度湍涡结构标度律的实验研究

利用后向接收式激光多普勒测速仪（ＬＤＶ）对自由湍射流进行了测量,我们对采集到的充分发展的湍流信号先求其１－ ８阶的结构函数及其标度指数,结果验证了Ｋｏｌｍ ｏｇｏｒｏｖ提出的标度律理论． 然后用子波变换将自由湍流脉动速度分解为多尺度湍涡结构, 研究每一个尺度湍涡速度的结构函数的标度律及其与湍涡速度的自相关函数的关系．     

壁湍流边界层奇异标度律的实验研究

采用热线风速仪对平板湍流边界层的流向速度进行测量,用速度结构函数研究不同尺度结构标度律的变化规律,结果显示小尺度区的概率密度曲线尾部明显偏离高斯型,说明高幅值间歇性事件占的份额较多;惯性子区的曲线向高斯型靠近,间歇性事件所占份额减少;大尺度结构的曲线趋于高斯型,间歇性事件所占份额最小。在耗散区、惯性子区和较大的尺度结构区存在大小不同的绝对标度指数,越靠近壁面这些区域的标度指数均越偏离p/3而逐渐变小。绝对标度指数与边界层位置有关,在缓冲层各阶标度指数与线性标度律偏差很大,显示较强的奇异性,当过渡到对数层及外区,标度指数逐渐增大,接近均匀各向同性湍流的状态。缓冲层、对数层及外区具有各异的绝对标度指数增长率,与各层的不同湍流结构特征和运动形式有关。     

金属丝壁面加热湍流标度律的实验研究

通过在固壁表面的平板湍流边界层沿流向平行放置若干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流向涡结构。对壁湍流小尺度结构标度律统计特性的研究表明,金属丝加热后形成的规则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,增强了湍流小尺度结构的层次结构相似性,减小了壁湍流中小尺度结构的间歇性和奇异性,抑制了壁湍流中奇异的湍涡结构。     

关于湍流标度律的争鸣

研究湍流结构函数的标度律。实验或数值模拟得到的湍流结构函数的标度指数是奇异的。很多学者认为:这一实验事实否定Kolmogorov1941年(K41)提出的正常标度律,各向同性湍流惯性区的标度律是奇异的。近年来作者发表一系列文章,提出不同的观点:由于有限雷诺数效应,有限雷诺数湍流的标度指数不等于真正的惯性区标度指数,湍流结构函数的标度指数的实验数据并不否定K41正常标度律,各向同性湍流惯性区的标度律可能是正常的。惯性区奇异标度律和正常标度律对应的湍流物理本质是完全不同的,因而研究解决这个争论具有重要的意义。      

壁湍流扩展的自相似标度律的实验研究

对风洞中零压力梯度平板湍流边界层进行了实验研究，用热线风速仪测量了不同法向位置的脉动速度，研究了湍流边界层不同法向位置速度结构函数的扩展的自相似标度律。     

壁面加热边界条件对湍流扩展的自相似性的影响

用热线风速仪测量了风洞中壁面加热和不加热平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向速度的时间序列,研究了壁面加热的边界条件对流向速度增量的p阶结构函数的扩展的自相似性和层次结构模型的影响。实验结果表明,壁面加热的边界条件对流向速度增量的结构函数扩展的自相似标度律的相对标度指数δ（p,3）和层次结构模型中间歇参数β、最奇异指数γ的影响明显存在。     

可压缩自由剪切流混合转捩大涡模拟

针对湍流气动光学效应与冲压发动机气体混合机理问题,开展了可压缩混合层流动空间模式大涡模拟和时间模式直接数值模拟研究.通过对流场(包含亚/亚混合、超/亚混合两种情况)失稳、转捩直至完全湍流的空间发展过程的研究表明,对流Mach数0.4状态下流场失稳以二维最不稳定扰动为主;非线性发展中,基频涡对并及展向涡撕裂主控流动转捩,流场发生混合转捩;转捩后脉动流场基本达到局部各向同性,此时,湍流Mach数低于0.3,流动压缩性可近似忽略.     

二维圆柱尾迹内湍流微结构的测量

本文测量了二维圆柱体尾迹内过渡区和自模拟区的平均亏损速度分布,同时也测量了湍流微结构。测量的湍流微结构参数有:不同距离的截面上速度脉动的湍能分布,剪应力的分布和横向剪应力的分布,涡粘性系数ε_m的分布,以及二元纵向速度相关系数f和二元横向速度相关系数g的变化规律。还有湍流微尺度λ_f,沿纵向和横向截面上的变化规律。试验结果与文献[1]提出的涡量脉动相似性结构的理论计算做了比较。     

自由湍射流边界层标度律的实验测量

用IFA300热线风速仪以低于最小低湍流时间尺度的高分辨率，精细测量了圆自由射流中同一流向断面内不同径向位置的流向速度分量，研究了不同径向位置的非均匀、非各向同性对充分发展湍流速度结构函数自相似标度律及其层次结构模型的影响。     

近地面大气湍流平均动能耗散率测量与分析

用三维超声风速计测量了合肥地区风速脉动和温度脉动数据,并用二阶和三阶径向风速结构函数以及相似理论估算了湍流动能耗散率,估算结果基本一致.其与稳定度相关性分析表明.在大气处于中性条件下,湍流动能耗散率最大,并随|z/L|值增大而下降;Kolmogorov耗散尺度η与ε1/4成反比,其与稳定度z/L的变化趋势与ε随z/L的变化趋势正好相反;C2n在大气处于中性条件下最小,并随|z/L|值的增大而增大,但在不稳定条件下C2n增大得更快.热力湍流内尺度不能用湍流动能耗散率ε进行计算,而应引入与温度θ梯度有关的耗散率εθ.     

高超声速激波湍流边界层干扰直接数值模拟研究

高超声速激波与湍流边界层干扰会导致飞行器表面出现局部热流峰值,严重影响飞行器气动性能和飞行安全. 针对高马赫数激波干扰问题,以往数值研究多采用雷诺平均方法,而在直接数值模拟方面的相关工作较为少见. 开展高超声速激波与湍流边界层干扰的直接数值模拟研究,有助于进一步提升对其复杂流动机理认识和理解,同时也将为现有湍流模型和亚格子应力模型的改进提供理论依据. 采用直接数值模拟方法对来流马赫数6.0,34°压缩拐角内激波与湍流边界层的干扰问题进行了研究. 基于雷诺应力各向异性张量,分析了高超声速湍流边界层在压缩拐角内的演化特性. 通过对湍动能输运方程的逐项分析,系统地研究了可压缩效应对湍动能及其输运的影响机制. 采用动态模态分解方法,探讨了干扰流场的非定常运动历程. 研究结果表明,随着湍流边界层往下游发展,近壁湍流的雷诺应力状态由两组元轴对称状态逐渐演化为两组元状态,外层区域则由轴对称膨胀趋近于各向同性. 干扰流场内存在强内在压缩性效应(声效应),其对湍动能输运的影响主要体现在压力--膨胀项,而对膨胀--耗散项影响较小. 高超声速下压缩拐角内的非定常运动仍存在以分离泡膨胀/收缩为特征的低频振荡特性,其物理机制与分离泡剪切层密切相关.      

稳定分层二层流室内实验早期格栅湍流结构

采用室内实验混合箱和粒子图像测速技术,本文研究了稳定分层无平均剪切二层流(上层淡水、下层盐水)振动湍流结构。对实验录像进行粒子图像测速技术处理,获得垂向二维流场(垂直于格栅平面)瞬时速度和涡量,并用于计算:①时均速度和时均涡量;②均方根速度;③均匀程度和各向同性程度;④平均流强度;⑤时均泰勒的欧拉积分长度尺度;⑥时均湍动能和时均湍动能垂向通量;⑦水平和垂向速度的欧拉频谱。结果显示:(1)格栅方棒处时间平均速度方向垂直向上,而其两侧的时间平均涡量正负交替,表明格栅附近射流结构占据主要位置且存在反向涡旋对。(2)均方根速度随着距离格栅(水平面)高程的增大而减小,并且满足高程的-1.425(接近-3/2)幂次律,表明格栅湍流均方根速度的垂向变化较为剧烈。(3)靠近混合箱边壁处的均匀程度和各向同性程度都大于1,表明靠近混合箱边壁处存在各向异性湍流。(4)格栅反湍流强度的量级非0,但是,相对较小,表明平均流强度较低,故而,本实验结果仍可与无平均流的情况作对比。(5)时均泰勒的欧拉积分长度尺度随着距离格栅(水平面)高程的增大而线性增大,表明随着湍流向上发展,涡的平均尺度增大。(6)时均湍动能和时均湍动能垂向通量随着距离格栅(水平面)高程的增大而减小,而时均湍动能垂向通量为正值,表明远离格栅时均湍动能衰减,但是,始终向上传递。(7)水平和垂向速度的欧拉频谱随着距离格栅(水平面)高程的增大而减小,幂次律介于ω^-1和ω^-5/3(ω为频率)之间,表明水平和垂向的湍流脉动能量远离格栅均衰减,并受湍流的有限雷诺数效应的影响。     

近壁湍流统计性质研究

采用大涡模拟方法,模拟了槽道湍流,得到了不同雷诺数下槽道湍流的结果. 在此基础上,研究了平均速度、雷诺应力、脉动动能和脉动速度均方根的分布;讨论了平均速度的壁面律问题;给出了雷诺应力、脉动动能和脉动速度均方根随雷诺数的变化规律,其中雷诺应力、脉动动能给出了定量公式.      

汶川地震滑坡与地震参数及地质地貌因素之间的相关关系

采用大涡模拟方法,模拟了槽道湍流,得到了不同雷诺数下槽道湍流的结果. 在此基 础上,研究了平均速度、雷诺应力、脉动动能和脉动速度均方根的分布;讨论了平均速度的 壁面律问题;给出了雷诺应力、脉动动能和脉动速度均方根随雷诺数的变化规律,其中雷诺 应力、脉动动能给出了定量公式.     

高超声速激波湍流边界层干扰直接数值模拟研究

高超声速激波与湍流边界层干扰会导致飞行器表面出现局部热流峰值,严重影响飞行器气动性能和飞行安全.针对高马赫数激波干扰问题,以往数值研究多采用雷诺平均方法,而在直接数值模拟方面的相关工作较为少见.开展高超声速激波与湍流边界层干扰的直接数值模拟研究,有助于进一步提升对其复杂流动机理认识和理解,同时也将为现有湍流模型和亚格子应力模型的改进提供理论依据.采用直接数值模拟方法对来流马赫数6.0,34?压缩拐角内激波与湍流边界层的干扰问题进行了研究.基于雷诺应力各向异性张量,分析了高超声速湍流边界层在压缩拐角内的演化特性.通过对湍动能输运方程的逐项分析,系统地研究了可压缩效应对湍动能及其输运的影响机制.采用动态模态分解方法,探讨了干扰流场的非定常运动历程.研究结果表明,随着湍流边界层往下游发展,近壁湍流的雷诺应力状态由两组元轴对称状态逐渐演化为两组元状态,外层区域则由轴对称膨胀趋近于各向同性.干扰流场内存在强内在压缩性效应(声效应),其对湍动能输运的影响主要体现在压力-膨胀项,而对膨胀-耗散项影响较小.高超声速下压缩拐角内的非定常运动仍存在以分离泡膨胀/收缩为特征的低频振荡特性,其物理机制与分离泡剪切层密切相关.     

二维槽道湍流的标度律分析

对不同Reynolds数的二维不可压槽道湍流（即二维槽道流动的扰动饱和态）进行了标度律分析.指出二维槽道湍流中存在明显的标度律及扩展自相似性;分析了标度指数随着流动Reynolds数的变化,指出随着Reynolds数的增长,标度指数的奇异性并没有减小的趋势;由此推测充分发展的二维槽道湍流的标度指数也是奇异的、将所得计算值和余振苏等人的SL标度律预测值相比较,认为余等人的SL标度律公式能很好描述二维湍流.