旋涡、湍流与自由表面的相互作用

旋涡及自由表面湍流与自由表面的非定常、非线性相互作用是当前流体力学中一个十分活跃的前沿领域的研究课题,它具有深刻的理论意义和重要的实用背景．旋涡、湍流与自由表面的相互作用是一个非常复杂的非线性、非定常过程,涉及到涡－涡、波－涡相互作用,旋涡在自由表面处的断裂、重联、合并及自由表面湍流中的准拟序结构的形成、发展等复杂动力学过程．关于这一领域的研究已经取得了一些重要成果．对旋涡与自由表面的相互作用的基本过程有了较为清楚的认识;但对湍流与自由表面的相互作用中的许多基本物理过程还知之甚少．本文综述此领域的实验、理论和数值模拟研究的最新进展和主要结果,讨论若干有待解决的问题,并指出进一步的研究方向      

湍流普适平衡区的能谱

本文应用作者之一提出的确定湍流能谱的理论,对八种试探函数和四个波数取样值用方程误差方法数值求解能谱和阻尼系数满足的两个积分方程。结果得到湍流普适平衡区能谱的一个新的表达式。这个新的表达式与作者之一原来得到的表达式形式不同,但二者对应的三维和一维能谱差别很小;这说明了所用理论的自恰性。新的表达式较为简便。     

附面层中马蹄形旋涡的实验研究

本文用烟流显示和热线方法研究附面层中马蹄形旋涡的形态、生成频率、配对和涡系之间的相互作用。     

湍流的封闭性问题和非平衡统计力学

湍流统计理论的核心问题是封闭性问题,根源于纳维-斯托克斯方程的非线性.作者应用非平衡统计力学方法,通过直接求解刘维方程得到湍流的概率分布密度函数,解决湍流的封闭性问题.这一封闭方法成功地解决了很多有关湍流小尺度运动统计特性的问题.本文介绍这一方法的基本思想以及一些典型的应用实例.     

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．     

周培源湍流理论概述

2022年是周培源先生（1902年8月28日—1993年11月24日）诞辰120周年,为怀念一代宗师,本文对周先生长达半个多世纪的湍流研究历程以及建立的湍流理论进行了概述,内容包括湍流“前模式理论”,涡旋结构的湍流统计理论,相似性理论和逐级逼近方法,最后就周先生对湍流研究做出的贡献进行了总结。

     

周培源先生的湍流理论研究

简要介绍了周培源先生在湍流理论研究领域的成果与贡献,谨以此文纪念周培源先生诞辰120周年。

     

EARSM和DRSM在亚音速旋涡流动中的应用

基于非结构网格,采用带曲率修正的显式代数应力非缌出漠型（EARSM）和微分雷诺应力模型（DRSM）,建立了用于模拟大攻角旋涡流动的计算方法。分别以尖前缘和钝前缘的65°三角翼为例,验证了EARSM模型和DRSM模型在两种典型亚音速计算状态下对复杂涡系干扰的模拟能力和旋涡的产生、发展、破裂过程。分别利用SA、BSL两种线性湍流模型对相关问题进行了计算;通过对多种计算的流场与气动力详细结果的比较分析,就几种湍流模型对大攻角复杂旋涡流动的预测能力和敏感性等进行了评估。结果表明：EARSM和DRSM能较好地预测旋涡流动的发展破裂,强于经典线性湍流模型;对边界层发展状况预测较差,导致旋涡启动位置较早。基于算例计算,对两种先进湍流模型的改进提出了适当的建议。所得结论将可为进一步开展大攻角旋涡流动模拟方法的研究提供参考。     

非压缩性流体的湍流理论

本文是作者50年的湍流研究工作的一个总结. 整个研究工作分成4个阶段. 第一阶段是在上一世纪的40年代,提出研究湍流必须研究脉动速度场,给出了湍流模式理论的基础. 第二阶段是上一世纪的50年代到60年代,提出了先求解后平均的旋涡结构的湍流统计理论. 第三阶段是上一世纪的70年代,他和黄永念提出了准相似性假设,完成了均匀各向同性湍流统计理论的工作. 第四阶段是上一世纪的80年代到90年代初,提出了广义准相似性假设,给出了处理一般具有剪应力的湍流流动的奇阶截断法和逐级逼近法.     

湍流边界层大尺度相干结构空间相位平均拓扑

湍流边界层大尺度相干结构(large-scale coherent structure,LSCS)是目前湍流边界层研究的热点之一.湍流边界层中存在大尺度相干结构均是通过各种谱的低波数峰值证实的,而对大尺度相干结构各种物理量的空间拓扑形态及其发展演化规律还缺乏研究.应用高时间分辨粒子图像测速多相机阵列系统,测量湍流边界层...     

有序波状扰动对壁湍流相干结构的作用

本文在湍流边界层外层引入了正弦波状扰动;实验结果表明扰动波波幅沿流向是衰减的,衰减率与 Landahl(1967)的线性理论结果定性一致。本文发现在扰动波沿流向的演化过程中,出现以扰动波频率为基频的高次谐波。外层单一频率的扰动会减小内层的猝发平均周期,影响内层的流动结构。     

基于涡旋识别方法的高速列车尾涡结构的讨论

利用改进型延迟分离涡模拟方法对缩尺比例1:30的高速列车简化模型的绕流流场进行数值计算,主要针对近尾流区的涡旋结构展开具体讨论. 通过不同的涡旋识别方法,发现在尾涡结构中,高涡量的强涡旋主要聚集于尾车附近,而涡量较低但处于相对稳定状态的涡旋分布在大部分尾流空间中. 对此,主要基于最新提出的涡旋定义及其物理意义认为,由于边界层在尾部发生的流动分离,剪切变形以及高涡量的扩散对强涡旋的形成发挥着重要的作用,而涡旋会被较强的剪切旋转拉伸,使得局部复杂的流动表现出突出的湍流特性;另一方面,尽管涡强度明显下降,但是在强剪切应变迅速衰减的情况下,流向涡核中的涡旋涡量是主要的,此时,在较接近地面的情况下,流体微团以涡核为中心的旋转运动使得涡旋与地面之间的相互作用成为主导的流动机制. 虽然涡强度会相对缓慢地衰减,但是从湍流能量产生的角度,该机制对涡旋的自维持发挥重要的作用,从而使尾涡结构能够相对稳定地存在于尾流流动中.      

固壁温度对壁湍流相干结构的影响

用半导体元件对平板进行加热，用ＶＩＴＡ法和ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法两种条件采样技术研究了固壁温度对湍流相干结构的影响，改进了Ｔｉｅｄｅｒｍａｎ等人提出的“归组”方法，并且用“归组”的ＶＩ－ＴＡ法和ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法研究了固壁加热对湍流猝发平均周期的影响．实验结果表明，固壁加热使得湍流脉动速度均方根值变大，条件采样检测到的事件数量增多，但猝发周期维持不变     

关于湍流拟序结构的思考

本文在简要地回顾了30多年来湍流拟序结构研究的进展之后,评述了目前拟序结构研究的动态。笔者强调准确的湍流场数据库建立的重要性,它是定量描述和研究拟序结构的基础。笔者评述了关于拟序结构目前流行的几种观点和方法,认为应当把研究拟序结构的动力学作为我们研究的目标。笔者深信准确掌握拟序结构的动力学规律,对于预测和控制湍流将有极大的推动。      

热激活断裂统计理论

本文研究了原子键机理与宏观特性相结合的热激活断裂非平衡统计理论,统一导出了微裂纹分布函数、断裂几率、可靠性、断裂寿命分布函数和平均断裂寿命。     

提取壁湍流相干结构的数字滤波法

以三丝热线探头测得平板湍流边界层的数据为对象，提出用数字滤波技术将湍流信号分解为接近各向同性的小尺度涡和非各向同性的大尺度涡的方法。并用条件采样技术从大涡信号中提取相干结构。     

应用数学的拓展——用一篇关于蛋白质分子的结构和功能的动理论发展的论文来说明

近来,人们喜欢从历史的角度来探讨数学在生物学中的应用问题.这种趋势似乎可以看作是应用数学范围逐渐拓展的一种自然现象.但它所用到的数学概念和方法与以往应用数学所用的概念和方法并无本质区别.例如,我们在本文中简单描述了如何将耗散系统中的动理学原理用于研究蛋白质分子的结构和功能.在这些研究中,传统统计物理学的概念和方法可以用来成功地建立与经验数据相对应的假设及理论.      

纵向涡对近壁湍流结构的影响

在封闭水槽中用氢气泡方法观察了纵向涡对近壁湍流结构的影响，涡的下洗侧出现了展向距离较宽、流动较稳定的快斑区，流向速度快；涡的上洗侧出现了含有慢斑的区域，流动结构复杂，流向速度慢，纵向涡使下洗侧速度较快的流体流向壁面，使上洗侧速度较慢的流体远离壁面。