稳定分层流动中湍流特性的研究综述

本文总结了近60 年来分层流动中湍流特性研究的成果. 主要从两个方面进行了综述:(1) 分层流动中湍流场的演变和混合. 在这方面主要分析稳定分层对湍流混合和湍流结构的影响, 以及混合层内湍流结构的特性和混合层的演化规律. (2) 分层流动中湍流的扩散和输运. 动量和标量的逆梯度输运特性是分层湍流研究的一个重要方向;分析分层对湍流扩散的影响. 并指出了一些值得今后进一步研究的方向.     

分层流体中内波与半潜平台相互作用的模型试验

对密度分层流体中内波与半潜平台的相互作用问题进行了模型试验研究.采用摇板方法进行了内波造波试验,对内波波长、周期和波高进行了测量分析,获得了内波波高和波长与周期之间的相关关系.利用激光和倾角仪方法对半潜平台的纵荡和纵摇运动响应进行了测量分析,获得了平台纵荡运动及纵摇角幅值与内波周期之间的相关关系.结果表明,在半潜平台的设计与应用中,内波对其运动响应的影响是不可忽视的.特别地,发现了在内波周期的某个范围内,半潜平台的纵荡和纵摇都会出现倍频周期运动响应的现象.     

分层流体中运动源生成的内波研究进展

针对两类密度分布模型------连续分层流体和间断分层流体, 综述了在运动潜体生成的Kelvin型和非Kelvin型内尾迹研究方面的现状, 内容侧重于运动源生成内波的解析理论和分层拖曳水槽中内尾迹实验方面的研究成果. 介绍了在连续分层流体中运动源生成的Kelvin型非线性内波的一般方程和在间断分层流体中Kelvin型内波的势流分析的一般方法; 概述了运动源诱生的先锋内孤立子、代数孤立子和平孤立波3类特殊非线性内波的研究进展, 其中运动潜体生成的平孤立内波被作者实验证实是一类极限孤立波, 并首次建立了共轭流动模型予以描述; 综合分析了在密度线性分布流体中潜体运动生成内波的动力学过程多样性特征, 其中包括内尾迹近场和远场的时空结构、不稳定结构、涡旋与湍流耦合结构以及湍流与内波相互作用结构等.      

稳定分层流密度界面处湍流混合与分形结构

采用室内混合箱研究稳定分层流(上层淡水、下层盐水) 无剪切密度界面处的湍流混合与分形结构. 湍流通过浸没在盐水层中的振动格栅产生, 密度界面结构通过在盐水层中添加荧光剂或染料可视化, 共进行12 组实验. 实验观测并记录了:(1) 淡、盐水密度界面距混合箱底部的平均高程(h);(2) 淡、盐水层的密度(ρ₀,ρ), (3) 淡、盐水密度界面. 其中, 淡、盐水密度界面通过照片、录像进行记录. 观测结果用于计算:(1) 盐水层密度;(2) 卷挟速度, (3) 整体理查孙数(Ri_o), (4) 二维、三维密度界面, (5) 二维、三维密度界面的分形维度. 结果分析发现:(1) 湍流卷挟率随Rio 增大而减小, 并且满足Ri_o的-3=2 或-7=4 幂律;表明随着湍流强度的减弱, 混合的速度也越来越缓慢;(2) 二维密度界面分形维度大于1, 三维密度界面分形维度大于2;表明二维、三维密度界面存在分形结构;(3) 分形维度随Ri_o的增大而减小;表明随着湍流强度的减弱, 密度界面也越来越趋于光滑.      

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.     

湍流流动和传热整体传输特性的数学分析

湍流是极为普遍的流动现象, 整体传输特性和外部驱动力之间的关系是各类湍流流动和传热问题研究的中心问题. 对近年来Doering和Constantin发展的直接从Navier-Stokes方程推导出湍流流动和传热整体传输特性的显式界的变分方法进行了评述, 重点介绍了平面Couette湍流流动、平面槽道湍流流动和Rayleigh-Benard对流这几种典型的湍流流动和传热整体传输特性的显式界的数学分析. 最后, 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.      

低雷诺数沟槽表面湍流/非湍流界面特性的实验研究

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.      

层结流体中湍流锋面特征的实验研究

在线性分层的水体中；由拖动坚条形栅格产生湍流锋面，通过阴影可视化技术考察了锋面的流态和运动行为，将锋面迹线经过图像处理，获得了锋面运动特征的有关信息：运动速度随时间的增长关系；锋面坍塌的平均无因次特征时间为NTC＝2．9；它随湍流Froude数Fri的增大而减小；锋面的特征尺度Hf与栅格运动的参数有关；当湍流演化成内波时，对锋面与内波运动间的关系进行了初步探讨和分析．     

剪切流及分离流结构和层流-湍流转捩的研究(成就和问题)

本文介绍了剪切层(边界层,Poiseujlle.流、分离流、尾流)中层流向湍流转捩过程的连续各阶段的实验研究结果,包括:给定流动对外部扰动的敏感性,产生的波(拟序结构)的线性发展,以及引起有序的层流流态破坏的非线性过程.     

分层流体中内孤立波在台阶上的反射和透射

基于匹配渐近展开和格林函数的方法,研究了两层流体系统中内孤立波在台阶地形上透射、 反射及其分裂的演化特征. 通过保角变换和求解奇异Fredholm积分方程,获得了反映地形 效应对Boussinesq方程影响的约化边界条件,藉此建立了KdV演化方程的``初值'问题, 根据散射反演理论获得了反射波和透射波的解析表达式. 分析结果表明：上下流体层的厚度 比、密度比以及台阶高度对于反射和透射波振幅及其分裂具有显著的影响. 尤其当上层流体 厚度小于下层厚度时,由于存在临界点,在其附近反射波的幅值随台阶高度的演化由单调增 变为单调减,透射波的幅值由单调减变为单调增;上台阶的反射波与入射波反相,其最大幅 值可达到入射波的数倍;此外,下台阶反射波也可发展为单支孤立波,它区别于单层流体中 反射波仅为衰减的振荡波列.     

收缩湍流场中标量扩散的实验研究

在近似均匀各向同性湍流场中加一个收缩段,对所得到的非各向同性湍流中温度混合层和热尾流作了初步实验研究。实验测量结果表明,它们在收缩段被“压缩”后又继续扩展,在实验的范围内(即发展初期)两者的T,(?)和(?)剖面具有相似性。     

关于植被中湍流的研究

本文从实验和模式理论两个方面介绍了近年来在植被湍流研究方面的进展.实验研究表明,植被内湍流是高度间歇性的,大尺度涡在湍流输运中起主导作用.植物枝、干、叶打碎了大尺度涡,产生的迹湍流中的小尺度涡更容易耗散成热。因此,植被内能量不按一般的能量级串理论预示的方式进行,而要发生所谓“短路”现象,使得功率谱曲线的斜率在惯性区比-2/3律更负.现有的高阶封闭模式虽然取得了很大成功,但在模拟湍流强度上高估了其大小,还需根据实验加以改进.      

剪切湍流的涡黏张量模式

对剪切湍流提出了涡黏系数为四阶张量的涡黏张量模式。引入近代数学中Ｍｏｏｒｅ－Ｐｅｎｒｏｓｅ广义逆矩阵的研究结果，给出了构造涡黏张量各分量的计算公式。用平面后台阶流动验算了剪切湍流的涡黏张量模式，比ＲＳＭ和ｋ－ε模式更接近实验结果。提出了剪切湍流涡黏张量模式的应用设想。     

非定常阵风场对沙粒跃移运动的影响浅析

野外阵风具有大尺度结构的非定常特征和小尺度结构的高频脉动特性,是造成风沙流输沙量波动和沙粒间歇性跃移的主要原因. 阵风的非定常性和脉动越显著,采用平均风速及沙粒粒径均一化分析风沙问题的误差越大,是野外观测、风洞实验及数值模拟的结果彼此偏差极大的主要因素. 野外阵风条件下的风沙跃移研究目前仍缺乏能够用于规范数学模型的有关阵风场和输沙率特征的可靠实时测量,有赖于风沙流整场高频测量技术和风洞模拟技术的发展.     

雷诺数对湍流特性的影响

主要对近年来关于雷诺数（Ｒｅ）对湍流特性的影响的研究进行了回顾．研究表明除径向偏斜系数和平坦系数分布外,确实存在一个不受Ｒｅ数影响的区域,但对于不同的物理量这一区域的范围是不同的,即使是同一物理量不同研究者的结果亦不尽相同,显示了近壁区流动的复杂性和测量的困难,激光测速技术（ＬＤＶ）由于其具有测量精度高、不干扰流场、空间分辨率细等优点,近年来广泛地应用于对湍流,特别是对湍流近壁区流动特性及Ｒｅ数对湍流统计特性影响等的精细测量,随着ＬＤＶ自身及其它相关测试技术的进一步改进,ＬＤＶ在了解湍流产生机理、能量转换等方面发挥着越来越重要的作用．     

网格湍流微结构的实验研究

本文试验研究了网格湍流从前期到后期整个连续衰变过程即湍能和Taylor微尺度随时间的变化规律,以及高阶速度相关系数的变化规律,试验结果是在一个低湍流度、低速风洞内,用TSI热线风速仪测得的,而拟均匀各向同性湍流是用在风洞试验段入口处加网格产生的,本文的试验结果与文献[1]提出的涡旋结构理论的计算结果做了比较,发现理论计算的和曲线与本文实测值非常吻合,本文的实测结果与Townsendt早年的试验以及Beanett七十年代末的试验也做了比较。结果表明,这些试验结果彼此也很一致,因而,所有这些试验结果与理论计算值都相互获得了验证。     

水平液─固流中颗粒抑制湍流的行为和条件

用激光多普勒分相测量方法，考察了水平含颗粒水流的主流区，亚毫米颗粒对水流湍流有抑制行为，湍流削弱程度与颗粒浓度、流动发展长度、水流雷诺数等因素有关．按照不出现尾涡脱落和至少能响应一部分大尺度涡的运动这两个基本条件，分析了湍流抑制与有关参量的依赖性．结果表明，流动尺度和颗粒尺寸之比，对于颗粒消耗而不增生湍流起着最主要的作用．在一定的水流雷诺数下，只要这一比值很大，亚毫米颗粒就会表现出对湍流的抑制作用