两层流体系统中含有悬浮粒子无平均剪切湍流混合层的增长

本文对两层流体系统中含有粒子的无平均剪切湍流混合层的增长(扩散)行为,进行了实验研究和理论分析,并提出一个估计湍流混合层扩散速率的理论方法,即势能模型。这种模型还包含了纯两层流体的湍流扩散的结果。实验结果与该模型符合很好。混合层中含有粒子时扩散距离D随时间t的变化、无因次扩散速率E与Richardson数及Ri₁的关系均与纯两层流体的相同,但还与初始体积浓度(?)₀有关,D和E分别以的负1/5和负1次幂变化。     

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.     

悬浮固粒和密度界面上粒子覆盖层对湍流扩散的影响

本文实验研究了两层流体之间的密度界面上的粒子覆盖层和上层湍流混合层中的悬浮粒子对湍流扩散的影响。实验结果表明,其影响是显著的。湍流扩散距离D以时间t的k次幂变化:D=Bt^k,其中k与覆盖层的相对厚度(?)_p有关即(?)=0.200—0.130(?)_p;对于上层有悬浮粒子和纯两层流体,(?)_p为零,k为0.200,两者D的变化规律一样,只是有悬浮粒子的k值较纯两层流体的小。湍流的无量纲扩散速率可归结为E=KR_il^-n,这里n=1.5+0.93(?)_p,(?)_p越大E值下降越快。这说明覆盖层改变了扩散速率的指数变化律,对湍流扩散有较大的阻碍作用。悬浮粒子的作用只是减小K值,其E的变化规律同纯两层流体的一样。本文还对湍流混合和扩散机制作了讨论。     

正变坐标系下完全深度平均湍流方程组

本文针对宽浅型水域，对三维湍流时均方程组逐项进行深度平均，推导出包含自由水面和地形影响的深度平均流动控制方程组．本文还同时获得了深度平均形式的ｋ－ε湍流模型方程组．因计入了水流的三维效应，该模型称为完全深度平均模型．考虑到天然水域几何边界复杂，本文运用较简便的方法，将上述模型方程组交换至正交坐标系下．所得控制方程组可以直接运用于对实际问题的数值模拟．     

基于时空最优低维动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法（英文）

按照周培源教授关于研究湍流数值模拟建模时必须分析和求解脉动速度场的思想,该研究基于第一性原理,系统地建立了基于时空低维最优动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法(LMS方法),并将其应用于多次冲击Richtmyer-Meshkov问题的数值模拟中,首次得到了可压缩湍流的中尺度流场和不同于DNS近似解的湍流近似解.数值结果表明,LMS方法可以用较少的网格获得更精确的湍流近似解.首先解决了研究中遇到的几个问题,为LMS方法的构建铺平了道路.这些问题是:基于湍流的物理特性,提出了湍流大、中、小尺度分解的新概念;找到了box滤波空间相关性的计算方法;指出了湍流建模理论中长期存在的逻辑错误,提出了多尺度湍流模型的概念;讨论了湍流封闭问题的本质和关键,给出了克服湍流封闭问题的数值方法.采用box滤波方法/空间网格平均方法且在大尺度网格的意义下,LMS方法的本质是一种将RANS、LES、DES和DNS等湍流数值模拟方法统一的全新湍流数值模拟方法.需要指出的是,LMS方法也可以作为湍流模型研究的辅助工具,以检验SGS尺度方程/脉动方程中各项所对应的湍流模型是否正确.     

确定湍流的涡输运系数的新方法

本文发展了一种从基本运动方程确定湍流的涡粘度、涡扩散率和湍流Prandtl数的理论方法,区别于唯象方法,不需要借助经验参数;应用于均匀湍流,得到与实验结果一致的湍流Prandtl数;并且能计算Boussinesq模型的误差,评估各种方法的优劣.     

颗粒湍能输运方程的两相湍流模型和平面闭式两相射流的数值模拟

在现有的两相湍流数值模拟中,对颗粒湍流普遍采用以局部追随概念为基础的代数模型,其预报结果在很多情况下与实验不符。本文提出了以颗粒湍能输运方程为基础的κ-ε-kκ两相湍流模型,并以平面闭式两相射流为例进行了数值模拟,预报结果与实验符合良好,表明此模型明显优于k-ε-A.P.的颗粒湍流代数模型。     

表示湍流场的一种新设想

本文仿照量子场论中描述基本粒子产生湮灭的方法来描述湍流中涡旋的产生和消灭.因为当某一基本粒子存在的时候,我们可以认为它是一个不变实体,而湍流中涡旋则在时间过程中不断变化和耗散,所以在类比应用量子场论方法时首先要解决怎样的湍流涡旋可认为是同一个涡旋.根据线性化理论的特点,我们认为在时间过程中按相似性规律变化时湍流涡旋才算是同一个涡旋,而把不具有相似性的涡旋出现或消失,看成是方程(2.6)中相互作用项φ_i所引起的湮火和产生的结果.然后,我们采用和量子场论相类似的产生算符和消灭算符来描述湍流涡旋系统所处的状态.最后,我们利用原N-S方程中相互作用项来构成涡旋相互作用的“Schr?dinger”方程以描述其状态的变化.这样就得类似于量子场论的湍流涡旋相互作用理论.     

湍流度对翼型绕流影响的数值模拟及与实验的对比

研究了NACA0012翼型在低Reynolds数不同湍流度下的空气动力学特性．既运用了有限谱法和QUICK格式相结合的数值计算方法,又通过实验手段,研究了湍流度对流场的影响,并得到了计算与实验相符的结果．计算结果说明了有限谱法的高精度及与其他格式结合后应用的灵活性．对翼型受力和流场的结果分析显示:低湍流度下无明显的失速特征,高湍流度下失速特征明显;湍流度还对边界层后的剪切层有很大影响,高湍流度的受力特征和流场结果与高Reynolds数下的情形相似．     

反映强流动曲率效应的非线性湍流模型

首先定性地分析了流线曲率效应对流场湍流结构的影响,然后以U型槽道流为典型算例,对多种湍流模型进行了评估．评估的模型包括:线性涡粘性模型,二阶和三阶非线性涡粘性模型,二阶显式代数应力模型和Reynolds应力模型．评估结果表明,性能良好的三阶非线性涡粘性模型,如黄于宁等人发展的HM模型以及CLS模型,可以较好地描述流线的曲率效应对湍流结构的影响,如凸曲率作用下内壁附近湍流强度的衰减和凹曲率作用下外壁附近湍流的增强,并且较好地确定了管道下游的分离点位置和分离泡长度,其预测的结果和实验符合较好,与Reynolds力模型的结果十分接近,因此可以较好地应用于具有曲率效应的工程湍流的计算．     

湍流Prandtl数

依据J.O.Hinze的理论,研究湍流Prandtl数随分子Prandtl数和流动条件参数变化的规律,并解释有关实验结果。     

用大涡模拟检验湍流模型

用大涡模拟方法对直方管内充分发展湍流运动的数值模拟，所建立的数据库可以用来检验湍流模型，本文中数据库被用来检验Ｄｅｍｕｒｅｎ和Ｒｏｄｉ文中所讨论的代数模型，并进行了讨论。     

粘性底层内横向速度强脉冲现象的机制探索 *

通过对直接数值模拟的槽道湍流数据库的研究,发现了粘性底层内横向速度的强脉冲现象.分析并研究了这种强脉冲现象的一般特征和对湍流的贡献以及与涡结构的关系.     

湍流速度和耗散率联合几率密度函数的输运方程

根据湍流动能耗散率满足对数正态分布的假定,给出耗散率的随机模型,并对速度的Langevin模型进行了修正,从而建立起完全封闭的湍流速度和耗散率联合几率密度函数的输运方程.为检验模型的可靠性,用Monte Carlo方法对输运方程进行了数值求解,给出衰变湍流和均匀剪切湍流的满意结果.     

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。     

线性密度分层流体中垂向湍流扩散的势能模型

本文研究在线性密度分层流体系统中垂向密度界面的无平均剪切湍流扩散规律,从分析湍流动能方程出发,提出一种湍流扩散的势能模型,得到湍流扩散距离随时间的变化以及无量纲扩散速率与当地Richardson数的关系.同时进行了实验检验,其结果与理论预测符合良好.     

湍流边界层中固体小颗粒湍流运动的Lagrangian模型

给出了固体小颗粒在边界层中的Lagrangian运动方程,方程中包括受壁面影响的粘性阻力,Saffman升力及Magus升力等.使用频谱法,得到了颗粒响应流体的Lagrangian能谱的表达式,使用这些结果研究了各种响应特性.本文的结果清楚地表明了固体个颗粒在湍流扩散过程中,其湍流扩散是可能大于流体的.     

不可压缩均匀各向同性湍流的统计理论

本文根据均匀各向同性湍流的涡旋结构理论,从Navier-Stokes方程出发,引进了准相似性条件,认为均匀各向同性湍流场在衰变过程中具有相似性,相似性尺度由表征湍流强弱的湍流脉动速度均方差q以及与特征涡旋尺度具有密切关系的湍流广义Taylor微尺度λ所决定,在对均匀各向同性湍流场计算中,假定湍流脉动在空间呈周期性,周期性尺度正比于λ。 本文对脉动速度等物理量用Fourier级数展开,将在物理空间上的计算转化到谱空间上,利用快速Fourier变换,采用前差格式和Leap-frog格式,对不同Reynolds数的均匀各向同性湍流场从衰变后期到前期进行了计算,得出了与实验较符合的结果。     

一种各向异性多重尺度的湍流模型

本文给出了一种适用于复杂湍流流动计算的各向异性、多重尺度的湍流模型(MS/ASM).这种模型对雷诺应力进行直接的模拟,并可模拟湍流流动的多重尺度影响.对自由应力流动、旋转流动和回流的湍流流动的计算表明,它比常用的单重尺度的k-ε模型有明显的改进.由于计算机工作量增加得不多,所以它在工程计算中,具有广泛的应用前景.     

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.