涡旋成对分布和对二元速度关联函数的影响

本文考虑了涡旋之间相互作用的影响,假定均匀各向同性湍流场是由涡旋对在整个空间等几率分布而成,这样计算出的二元速度关联函数f(γ/λ)在远处略有提高,这个结果是与Bennett和Corrsin的实验结果和其他实验结果相合的。     

均匀各向同性湍流的涡旋结构的统计理论

湍流运动是自然界和工程技术,如气象、水利、航空、喷气技术、化工、受控热核反应和大气污染等领域中普遍出现的流体运动。几十年来,湍流实验技术有很大进展,但理论研究却遇到很大困难。过去,我们曾提出:必须直接从粘性流体运动方程解得的小轴对称涡旋作为随机地组成均匀各向同性湍流运动的湍流元的统计观点,并分别用相似性条件得出衰变后期的运动解和初期运动的一些结果。但这两种涡旋结构的相似性统一不起来。在文化大革命和批林批孔运动的鼓舞下,根据毛主席“独立自主、自力更生”的教导,我们对过去的统计观点又作了进一步的研究。多年来在实践中反复观察和分析,我们发现作为湍流元的涡旋的结构并不服从简单的相似性规律,它在涡旋衰变过程中产生一种伸缩现象。为此,我们首先提出一个涡旋尺度-涡旋雷诺数关系;其次引进准相似性解的概念,它包括一般相似性作为特例。在小涡旋雷诺数流动情况下,我们计算得到的,包括从衰变初期到后期的整个范围内的湍能衰变规律、湍流微尺度和二元速度关联,都和实验符合得很好。我们还计算了能谱交换函数。     

常数速度梯度时均匀湍流的二元速度关联函数

在湍流脉动速度比较小的条件下,本文得到了富氏变换过后脉动速度方程的解.它所代表的涡旋,在平均速度梯度为小量时,化为具有常数平均速度梯度的、组成后期均匀各向同性湍流场的涡旋和组成后期各向异性湍流场的涡旋.利用不同时刻的这种涡旋解,组成定常的有常数平均速度梯度的湍流场,这个湍流场可以近似地表达槽流和管流近中心区域的湍流场.我们求得了这种湍流场的二元速度关联函数,包括纵向的关联系数f(γ/λ)和横向的关联系数g(γ/λ).并且和均匀各向同性湍流实验中的前期和后期的f(γ/λ)和g(γ/λ)进行了比较.并且弄清楚了速度梯度对关联系数f(γ/λ)所产生的影响,最后还得到了雷诺应力和涡旋粘性系数的表达式.     

可压缩均匀各向同性湍流的直接数值模拟

采用8阶精度的中心差分格式及7阶精度的迎风偏斜格式对Re_l = 72~153, M_t= 0.2~0.7的均匀各向同性湍流进行了直接数值模拟, 建立了湍流数据库. 与他人的计算结果吻合十分理想, 说明方法的有效性. 数值结果表明, 采用适当的迎风型差分格式可以克服起动问题(start-up problem)对湍流Mach数的限制, 提高可计算的湍流Mach数, 是可压湍流直接数值模拟的有效方法. 分析了压缩性效应对湍流统计量的影响, 发现压缩性使得湍动能的衰减加快. 探讨了可压湍流中微激波产生的机理, 对流场进行了标度律分析. 发现在本文的Reynolds数和湍流Mach数条件下, 流场中扩展自相似性仍然成立, 同时发现压缩性对标度指数影响不大.     

纤维悬浮剪切湍流中纤维旋转扩散系数的理论研究

对纤维悬浮剪切湍流中纤维旋转扩散系数进行了理论研究．首先建立了流场不同脉动速度梯度间的相关矩函数,然后推导出了纤维旋转扩散系数的表达式,该表达式依赖于特征长度、时间、速度和一个与壁面作用相关的无量纲参数．得到的纤维旋转扩散系数可以应用于非均匀和非各向同性的湍流场,此外还可以推广到三维湍流场,因而为纤维悬浮湍流场的研究提供了理论基础．     

壁湍流多尺度湍涡结构推广的自相似标度律

在水槽中测量了中等雷诺数下平板湍流边界层中的瞬时流向速度的时间序列,验证了Benzi提出的推广的自相似标度律,用子波变换将壁湍流脉动速度分解为多尺度湍涡结构的速度,研究了每一个尺度的湍涡速度结构函数的推广的自相似标度律。主要结论如下:湍流的统计性质是自相似的,这不仅适用于充分发展湍流,而且适用于中等雷诺数和低雷诺数湍流,而且具有相同的标度指数;推广的自相似标度律的适用的尺度范围远远大于惯性子区的范围,可以一直延伸至耗散区的尺度范围;推广的自相似标度律不仅适用于均匀各向同性湍流,也适用于剪切湍流如边界层湍流。     

预混火焰与均匀各向同性湍流畸变

本文首先引入表征化学反应层厚度的长度尺度新概念,得出一个新的湍流火焰传播速度公式。其次,导出火焰层厚度随释放热量与初始热焓比值τ变化的递增关系。此外,还提出一个新的速度-压力相关式,阐明了预混湍流火焰层内湍流能量增大的机制;从而得出关于均匀各向同性湍流畸变的饶有兴趣的结论。     

Navier-Stokes方程的求解和均匀各向同性湍流理论——数值计算和与实验的比较

本文是文献[2]的继续。主要是通过选择适当的初始条件,用数值方法进行求解。并把理论结果与实验作广泛的比较。文中计算了从衰变初期到衰变后期的整个过程的能谱函数、能谱交换函数、湍流能量的衰变、积分尺度、湍流微尺度、二元速度关联以及三元速度关联。所有计算的统计物理量与实验都符合得相当好,只在某些情况下测量间距较大时有些小的偏离。本文也证明了计算得的能谱函数和能谱交换函数,精确地满足谱空间的Karman-Howarth方程。     

上升气泡群引起的湍流特性

在均质液体中对于水平均布气泡群的上升运动及其引起的液体介质中湍流运动特性的研究表明,至少在气泡间距与泡的最大直径之比2.5倍时,气泡形状和泡群平均终端速度与单气泡对应情形相近。实验用粒子示踪——二维图象处理技术,对上升气泡群引起的流体湍流特性进行了分析和处理,从得到的脉动速度均方根值、动能衰减规律、积分尺度与Taylor微尺度的演化规律以及速度关联的自保持性等结果看,这种气泡湍流可用均匀湍流理论模式来刻画,并与经典的栅格后湍流特征十分相近。     

可压槽道湍流的直接数值模拟及标度律分析

采用基于非等距网格的紧致差分方法对Mach数为0.8,Reynolds数为3300的可压缩槽道湍流进行了直接数值模拟.建立了充分发展的可压缩槽道湍流数据库.该流场的统计特征（如等效平均速度分布,半局部尺度无量纲化的脉动均方根分布）与他人的数值计算结果吻合较好.在此DNS结果的基础上,作者对该流场进行了统计分析和机理研究.得到了可压缩槽道湍流场的高阶统计矩.同时分析了压缩性效应对近壁相干结构的影响机理,认为在可压壁湍流的近壁区,压力在压缩_膨胀上的做功部分吸收了脉动速度的动能,使得可压湍流的近壁速度条带结构更加平整.还对可压缩槽道湍流进行了标度律分析,指出可压槽道湍流中心线附近较宽的区域内存在标度律及扩展的自相似性.认为当Mach数不是很高时压缩性效应对标度指数影响不大.通过数值计算得到可压缩槽道湍流的标度指数.     

圆管纤维悬浮湍流场中粒子运动的研究

利用从细长体理论出发得到的三维分段积分法和湍流简化方法模拟了大量纤维粒子在圆管湍流内的运动．统计了不同Re数下计算区域内的纤维的取向分布,计算结果与实验结果基本吻合,结果表明湍流的脉动速度导致纤维取向趋于无序,且随着Re数的增加,纤维取向的分布越来越趋于均匀．其后又考虑了纤维速度和角速度的脉动,二者都充分体现了流体速度脉动的影响,且纤维速度的脉动在流向上的强度大于横向,而其角速度的脉动在流向上的强度小于横向．最后统计了纤维在管道截面上的位置分布,说明Re数的增加加速了纤维在管道截面上的位置扩散．     

Navier-Stokes方程的求解和均匀各向同性湍流理论——理论与计算方法

本文是文献[1]的进一步发展。目的是要解决均匀各向同性湍流从衰变初期到衰变后期的整个流动问题。文中提出了一种求解Navier-Stokes方程的展开方法,得到了一组无穷多个二阶非线性偏微分方程。本文只考虑了零级近似。我们利用富利埃变换方法,在波数空间得到一个振幅函数所满足的非线性积分-微分方程。它实质上就是能谱的动力学方程。在下一篇文章中,将给出数值计算的结果和与现有实验的比较,两者符合是相当满意的。     

大雷诺数平稳湍流对其中悬浮颗粒的带动程度统计判据

本文求出了大雷诺数平稳湍流中悬浮颗粒运动速度的平均值及速度平方的平均值,讨论了湍流脉动对颗粒的“带动程度”与湍流特征参数及颗粒参数的关系.给出了“完全带动”(即流体的速度与悬浮颗粒的速度相等)的统计判据.     

应用谱理论研究压力脉动的湍流模式

本文应用谱分析理论研究了剪切湍流场中的压力脉动,包括功率谱、均方值等.通过对压力脉动Possion方程的Fourier变换,首先将压力脉动谱表示成速度脉动谱的形式.利用Navier-Stokes方程的形式解及准正态分布假设,可以进一步将压力脉动功率谱表达式中所包含的速度脉动的三阶相关与四阶相关表示成速度脉动的二阶相关（功率谱）.最后,引入高雷诺数流的速度脉动功率谱模型,导出了由湍动e₀,耗散ε,雷诺应力-iu_j>及时均速度梯度表示的压力脉动均方值的湍流模式,并同现有数据进行了比较.     

稳定分层流动中湍流统计特性和输运特性的数值研究

采用大涡模拟方法研究了上下两层温度不同的稳定分层湍流,主要对其中的湍流尺度特性、统计特性和湍流输运特性,以及标量场的时空演化进行了分析研究.研究结果表明:浮力尺度沿流动方向先增加然后趋于某个稳定值,剪切越强,浮力尺度越大;翻转尺度沿流向也是逐渐增大,剪切越强,翻转尺度越大;统计特性的分析发现,在较大的区域内温度脉动的平坦因子都偏离Gauss分布,强分层条件下温度脉动的统计特性与速度脉动的统计特性有较明显差别;湍流混合的过程开始于小尺度运动,最后扩展到大尺度运动.     

旋转大气中运动的非线性相互作用和旋转适应过程

本文研究了在引力场和旋转力场中流体运动的基本规律性,提出“旋转适应”概念,证明在一定条件下有“旋转适应过程”,即运动最终趋向于轴对称带状环流状态,但在另一些条件下,则不可能有完全的适应,例如存在多个涡旋中心则永远不可能演变成轴对称环流,旋转适应过程可以解释大气运动中有“负粘性”、能量集中过程以及由低指数环流向高指数环流转换的过程。其次,文中指出高空强涡旋中心和地面上平流区的配置是决定中长期天气演变过程的主要因子,文中还讨论了能量沿不同尺度运动的转移过程,指出Fjφrtoft的结果不能直接应用,旋转大气运动不具有各向同性。     

低Reynold数圆柱尾流中混沌运动研究

本文以混沌的观点研究流体湍流.在Reynold数为63—179的范围内,在低湍流度水洞中,在圆柱体尾流中测量速度脉动,获得关联维数、相空间轨迹、谱分布等有用数据,并做了流场显示.实验结果表明,该种开放型流动的早期转捩过程中,存在混沌现象.这有助于进一步认识开放型流动中湍流发生的机制.     

脉动压力脉动速度变形平均项的表达式

脉动压力脉动速度变形平均项,最初是Rotta[21]改写压力梯度做功项得来的.但是,这项处理起来都很困难,从Rotta开始,以后Launder等人都对这项做过一些假定.本文根据脉动速度所满足的方程解出脉动压力,然后进而求出脉动压力乘上脉动速度变形的平均值,得到了脉动压力脉动速度变形平均项的完整表达式.这个表达式说明了Rotta和Launder等人的有限表达式是有一定道理的.本文所得的完整表达式分为两种情形加以讨论.一种是几种涡旋不分开的情形,另一种是三种涡旋分开考虑的情形.由此,本文为雷诺应力模式和三涡旋模式等湍流模式提供了完整的脉动压力脉动速度变形平均项的表达式.     

随机级联α模型的研究

对随机级联模型作了较为仔细的研究,讨论了间歇指数对基元分割数λ的依赖性,并提出了分割数M不等于基元分割数的整数次方时计算矩的方法。发现,单一基元分割数λ的模型不满足分形所要求的:对任意整数M都成立反常指数规律。随机地取多个基元分割数,能显著地改善这一情况。为了今后的应用,还建立了一种基元分割数λ非整数的α模型。     

随高度变化的宁静日珥半经验模型

本文利用美国Kitt峰天文台McMath太阳塔13.5m摄谱仪观测到的1972年12月12日宁静日珥的光谱资料,通过非局部热动平衡计算,同时解流体静力学平衡、统计平衡、辐射转移方程以及粒子数守恒方程,得到了日珥四个不同高度处的半经验模型。根据这些模型,计算得到的八条谱线(H_α,H_β,H_γ,CaⅡH,CaⅡK以及电离钙的λ8498,λ8542,λ8662红外三重线)的谱线轮廓同观测结果相当符合。对半经验模型的研究表明,日珥表面处的压强和日珥内的湍流速度基本上不随高度而变化,日珥运动温度从日珥表层到中心单调减小。日珥表层的运动温度随高度增加而略有增加,但在日珥中心,温度随高度增加而显著减小,其梯度则迅速增加。研究还表明,在日珥表层,不存在辐射平衡,总辐射损失有一极大值,且主要来自L_α,CaⅡ的辐射损失同氢相比可忽略。在日珥中心则近似有辐射平衡。