二维和三维湍流的分形模型

<正> 1 引言 目前分形物体已广泛引入物理学和自然科学各种现象的分析中。湍流的几何形态特别需用“自相似”方法、而不是用“欧几里德”方法来研究。人们通常考虑的是均匀分形(即具有整体严格的膨胀不变性),但我们想引入自相似性仅在平均意义下保持的一个简单模型,     

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.     

二维曲壁扩压器内湍流边界层分离的研究

本文应用二维双色四光束激光多普勒测速仪和压强探针样细地测量了二维非对称曲面扩张通道内的不可压湍流边界层分离流动，得到了时均速度和雷诺剪应力以及正反向间歇流动因子和静压分布。实验结果分析表明；湍流边界层分离时，沿边界层高度方向存在着明显的压强差。压强差的极小值对应于位移厚度曲率的极大值和瞬时间歇分离点。Ｂａｒｄｉｎａ对数尾迹律可以较好地描述瞬时间歇分离点之前的边界层速度分布，但无法描述分离的边界层速     

壁湍流结构的二维子波分析

对槽道湍流直接数值模拟的脉动速度场进行了二维子波分析。研究了近壁区低速条带结构的多尺度特性。利用定义的局部雷诺应力测度结合平坦因子的方法对湍流脉动速度分解,得到脉动速度的间歇成份和高斯成份。用局部雷诺应力测度正的峰值为特征,通过条件统计平均,得到近壁区典型的拟序结构。     

二维槽道湍流数值模拟与白组织特性

从流体力学基本方程出发,讨论了二维槽道湍流的衰减特性,通过对流场施加合适的体积力,采用拟谱方法对二维槽道强制湍流进行了数值模拟.研究了二维槽道衰减湍流的自组织与逆能量级串特性,再现了二维槽道衰减湍流中湍涡的自组织过程,以及不同波数湍流结构所携能量在自组织过程中的变化,并解释了二维槽道湍流平均速度曲线特征以及海洋环流所特有的自然现象.     

人工扰动信号在湍流边界层中的衰减

将人工扰动引入湍流流场,使用功率谱分析方法,研究边界层外层的较大频率范围内的人工扰动信号沿流向和法向的衰减,获得了人工扰动在湍流边界层中的衰减趋势．     

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。     

周期性扰动在湍流边界层中沿法向的衰减

在开口式循环水槽底部湍流边界层外区中引入周期性扰动,利用X型热膜探针对下游扰动进行测量。研究了湍流边界层中周期性人工扰动对湍流结构的影响,获得了人工扰动在湍流边界层中沿法向的衰减趋势。     

二维定常湍流计算中的GMRES算法

在以前工作的基础上将广义极小残差（Generalized Minimum RESidual (GMRES)算法发展到用于求解二维可压Favier平均Navier-Stokes方程组。控制方程经Newton线化处理后构成近似的线性系统,然后采用分别耦合了LUSGS和ILU两种预处理矩阵的GMRES算法求解。Spalart-Allmaras湍流模型被用来封闭流体控制方程组,采用与流体控制方程非耦合的方式,使用LUSGS方法求解。对GMRES算法中矩阵－向量的乘积采用了有限插分方法,从而避免了精确的左端系数矩阵的计算和存储。对预处理矩阵的两种使用方法（左预处理和右预处理）进行了分析和讨论。用两个算例对LUSGS和ILU两各预处理矩阵进行了比较,同时探讨了左预处理和右预处理各自的优缺点。通过对Sajben扩压器和NACA0012有攻角流动的计算,表明带有预处理的GMRES算法在二维定常跨音黏性流动计算中相比于得到广泛应用的DDADI方法具有很大优势,左预处理要优于右预处理。     

网栅后湍流流动沿流程衰减特性的实验研究

应用ＬＤＶ测试技术对垂直方管内三种不同栅距的网所形成的湍流流动做了详细测量,网栅栅距Ｍ分别为１４ｍｍ,１０ｍｍ,６ｍｍ实验给出了管内不同位置湍流流动的各种参数沿流动方向的衰减规律,并就三种网栅进行比较分析,以探讨这种网栅流动所具有共同规律和在不同栅距对湍流结构及脉动大小的不同特点,从而对这种网栅所形成的湍流流结构较为清晰的了解。     

VELOCITY-ACCELERATION STRUCTURE FUNCTION IN TWO-DIMENSIONAL DECAYING TURBULENCE$^{\bf 1)}$

湍流场中二阶速度加速度结构函数 (velocity-acceleration structure function, VASF) 被认为与尺度间能量或者拟涡能的传递相关,其正负表明传递的方向. 三维湍流中,能量从大尺度向 小尺度传递,VASF 为负. 在二维湍流中,能量反向传递到大尺度,拟涡能正向传递到小尺度,因此理论上 VASF 无论在反向能量级串区还是在正向拟 涡能级串区均为正. 然而,相对于三维湍流中 VASF 的充分研究,二维湍流中 VASF 的正负性迄今尚无实验或数值模拟数据验证. 本文通过三维二维湍流中普适的公式推导,指出在空间非均匀湍流场中,VASF 除了尺度间传递,还受到非均匀项的影响. 一种常见的空间非均匀湍流场是在实验研究中常用的风洞或水洞中,湍流发生装置 (如栅格) 后的湍流. 该流场中,湍流强度随下游位置增大而逐渐衰减,这种衰减则带来空间上的非均匀性. 本文在基于竖直流动皂膜的二维衰减湍流场中,利用拉格朗日粒子追踪法测得在拟涡能级串区的 VASF,并分析各部分的影响. 结果表明,虽然尺度间传递项为正值,但由于衰减带来的非均匀项为负值,使得 VASF 的值为负,使之失去了表征拟涡能传递方向的意义. 因此,在类似风洞、水洞、水槽等衰减流场中对 VASF 的讨论不应忽略非均匀项. 最后对与 VASF 密切相关的弥散过程进行分析,发现后期弥散过程变慢是由于负的 VASF 导致.     

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.     

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。     

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     

THE VORTICITY STRUCTURE OF HOMOGENEOUS ISOTROPIC TURBULENCE IN IT5 FINAL PERIOD OF DECAY

流体力学工作者很早就认识到,湍流运动是由许许多多微小的涡旋廷动所组成.本论文的目的,在于从粘性不可压缩流体的线性性化以后的运动方程的漪旋运动解,来说明均匀各向同性湍流在后期衰变时期的运动现象.确定在这时期作为湍流元随机运动着的涡旋的物理条件是:首先,涡旋的涡量分布必须集中在涡旋的几何中心附近,其次,每一个涡旋的总角动量是一常数.我们运用辛和林家翘的方法来计算湍流中的二元速度关联函数,从而导致米里洪西科夫解.这个解的速度关联和湍能耗拍定律都和白却勒尔与爆生德的实验相符合.最后,我仍指出了湍流的湍性结构是和作为湍流元的涡旋的涡性结构有密切联系以及依据现有涡旋运动解来计算出高元速度关联和其他种类关联函数的可能性.     

旋涡结构的湍流统计理论

旋涡结构的湍流统计理论是已故周培源教授在20世纪50年代率先提出来的.经过他和他的学生近半个世纪的努力,已经形成具有自身特色的湍流统计理论.在纪念周培源教授诞辰100周年的时候,特贡献本文作为对一代宗师的怀念.本文是这个理论的一个总结和概括,其中包括:作为湍流元的旋涡结构解的寻找,可能存在的不同旋涡结构解的类别和叠加,统计平均方法的选取和操作,统计平均物理量的规律的探索等.      

湍流最高激发态的局部结构及其绝对标度律

通过对湍流层次结构模型中提出的最高激发态的进一步研究发现,最高激发态 存在绝对标度律,且该绝对标度律是由信号中最强耗散涨落的局部结构产生的,并由此推测 出局部强间歇结构一般具有绝对标度的结论.     

湍流的分形特征

综述了湍流分维测量的最新成果,涉及湍流分维测量的传统证据、分维测量方法以及湍流分维测量成果,重点详细介绍了湍流分维测量的各种方法及其优缺点,讨论了各家的测量成果,指出了具有广泛影响的 Ｓｒｅｅｎｉｖａｓａｎ等人使用的分维测量方法存在的问题,介绍了作者最新的成果．最后,综述了Ｎ－Ｓ方程与分形、标度律、湍流的理论分形模型等与湍流分维应用相关的领域的最新进展．对湍流分形研究进行了讨论和展望      

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.      

连续弯道水流紊动特性试验研究

采用电磁流速仪, 在接近天然河道形态的连续弯道中, 对沿程断面上各点的脉动流速进行量测.根据测得的数据分析得到了紊动能谱、紊动强 度、紊动切应力、紊动能、紊动参数等的全断面分布.研究结果表明水流紊动主要集中在10 Hz以下,不同环流形式与各种紊动量之间会互相影响,边壁处纵向紊动强烈、横向和垂向紊动较弱.