在我国开展工程湍流研究的设想

本文包括三部分:１）提出开展工程湍流研究的背景;２）工程湍流研究的特征和内容;３）开展工程湍流研究的设想,其中包括:ａ）湍流理论的概念鉴别和在工程中的应用,ｂ）湍流模式理论的应用和完善,ｃ）湍流测量和ｄ）湍流控制．      

湍流研究的现状和进展

本文对一百多年来湍流研究的进展作了简要回顾,并着重评述了湍流模式理论、切变湍流的相干结构和湍流数值模拟的最新成就,对湍流研究的发展提出了一些建议和设想.     

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.     

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。     

湍流逆梯度输运的理论与实验研究

湍流中存在的动量、标量的逆梯度输运是当前湍流研究中一个十分重要的方向,它具有深刻的理论意义和重要的实用背景．本文从实验、理论两方面综述了湍流逆梯度输运的研究成果,并指出了一些值得今后进一步研究的方向．     

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.      

热湍流研究的新十年:从聚焦传统到延伸拓展

热湍流(浮力驱动湍流)作为一种典型的湍流现象,广泛存在于自然界和工程应用中. Rayleigh-Bénard (RB)湍流是从众多自然现象中抽象出来研究热湍流的经典模型, RB湍流的典型特征是系统中存在大尺度环流和羽流等不同尺度的湍流结构,这些结构通过作用于边界层,影响RB湍流的输运效率.因此,明确不同尺度湍流结构的生成、演化和作用机理,对理解RB湍流的输运特性至关重要,也是通过控制湍流结构调控输运效率的科学基础.本文重点从湍流结构的时空演化规律、输运特性、湍流调控和热湍流在其他领域的拓展四个方面评述近十年来RB湍流研究所取得的新进展,并对今后的研究方向做出展望.     

对“湍流通用物理方程”等两篇文章的意见

本文以均匀不可压情况为例,系统地分析“湍流通用物理方程”和“湍流通用物理方程的推导及讨论”等两篇文章所提出的理论,指出“第二种平均”(“第二次平均”)的系综不存在,“湍流力假设”和“有效湍流力假设”不成立,文章采用的封闭手断也不合理,因此所推得的“湍流通用物理方程”及其一维简化,即“规范方程”均不成立;文[2]从这些方程出发,对湍流特性所作的一切分析都失去依据;文中还存在大量不应有的其他错误。     

关于太阳湍流发电机理论

本文介绍了太阳湍流发电机问题的双尺度平均场电动力学分析方法以及有关太阳发电机问题的研究结果:α,β效应及各种发电机模型。总结分析了现阶段太阳湍流发电机问题在观测和理论方面的主要困难。对其他的太阳发电机理论也进行了简要介绍。      

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.      

涡度拟能传输惯性区二维湍流标量场方差谱

本文应用非平衡统计力学封闭方法,给出涡度拟能传输惯性区二维湍流标量场方差谱的完整表达式,数值计算该表达式中的比例系数B。由于传输过程的非局部性,B依赖于表征波数变化范围的局部化因子,不再是普适常数。     

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。     

Modifications for an explicit algebraic stress model

An extension of the explicit algebraic stress model, developed by Gatski and Speziale [Gatski TB, Speziale CG. On the explicit algebraic stress models for complex turbulent flows. Journal of Fluid Mechanics 1993; 254: 59–78] is proposed. The extension implicates some essential characteristics of second‐order closure models. The strain‐dependent coefficients are modified, resulting in an alleviation of the numerical instabilities involved in the model. A new near‐wall damping function f_μ in the eddy viscosity relation is introduced. To enhance dissipation in near‐wall regions, the model constant C_ϵ1 is modified and an extra positive source term is included in the dissipation equation. In addition, a realizable time scale is incorporated to remove the wall singularity. Computed results show that the modified Gatski–Speziale (MGS) model predictions are in better agreement with the direct numerical simulation (DNS) and experimental data than those of the original Gatski–Speziale (OGS) model. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

Skewness factor of turbulent velocity derivative

Using nonequilibrium statistical mechanics closure method, it is shown that the skewness factor of the velocity derivative of isotropic turbulence approaches a constant −0.515 when the Reynolds number is very high, which is in agreement with the DNS (direct numerical simulation) result of Vincent and Meneguzzi (1991). The project supported by the National Basic Research Program “Non-linear Science”     

Investigation of Alternative Length Scale Substitutions in Detached-Eddy Simulation

The objective of this work is the comparison of three different DES-style hybrid RANS/LES implementations based on the Wilcox k– model. The three variants are designed to investigate alternative methods of substitution of the DES length scale within the background Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) model. Basis for comparison is provided by both the idealised case of the decay of isotropic turbulence (DIT) as well as the practical case of the massively separated, turbulent flow around an airfoil at high angle of attack. The results of the investigations are discussed in detail, the outcome of which is an emphasis of the importance of DIT as a method for calibration, as well as of the relative freedom with which alternative DES-inspired approaches can be implemented for flows of practical relevance.     

The experimental results of micro-structure in grid-produced turbulence

The variation of main turbulent quantities in an isotropic turbulent flow, such as the decay of turbulent energy and the variation of Taylor microscale of turbulence with time are obtained, by employing a hot-wire anemometer and a nearly isotropic turbulent flow which is produced by a gridscreen located at the entrance of the test section in a low-level turbulence and low-speed wind tunnel in Peking University. The experimental results of the decay of turbulent energy and the variation of Taylor microscale of turbulence with time at the whole period from initial to final stage, normalized in an non-dimensional form, are consistent quite well with the computational results by the theory of the statistical vorticity structure^[1]. The experimental results presented in this paper also agree with Townsend's results obtained in earlier years^[2] as well as with Bennett's in the seventy's^[3].     

基于NPLS技术的可压缩湍流机理实验研究新进展

可压缩湍流机理的实验研究是一件难度很大的工作, 其主要的难度在于高时空分辨率的可压缩湍流结构非接触精细测试技术和低噪声的高速风洞设备技术. 近几年来, 由于在低噪声的超声速、高超声速风洞研究和可压缩流动精细结构测量技术研究方面取得的重要进展及其在可压缩湍流机理研究方面的应用, 超声速流动转捩与湍流的机理研究取得了较大的进展. 本文介绍了最近几年高速流动非接触精细测试技术, 尤其是基于纳米粒子的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering, NPLS)、背景导向纹影技术(background oriented schlieren, BOS) 和超声速流场的粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)的研究进展和发展前景, 以及基于这些技术, 在可压缩湍流机理实验研究方面的进展和发展前景, 其中包括在超声速混合层转捩、超声速绕流与尾流结构、超声速边界层转捩、激波边界层干扰等典型流场的机理研究方面, 以及气动光学机理研究方面的研究进展. 最后, 展望了目前湍流机理实验研究对湍流工程模型研究的可能贡献.      

Decomposition of Turbulent Velocity Fields in an SI Engine

In this study, the turbulence filter, the phase averaging and the proper orthogonal decomposition methods are used to decompose experimentally measured turbulent velocity fields in an SI engine. The radial and circumferential turbulent velocity fields were measured using hot wire anemometer under motored conditions at different engine configurations. The decomposed results of each technique are compared with each other. In addition, the obtained organized and turbulence motions and their energy spectra are examined. Finally, coherent structures of velocity fields and their activities are investigated. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

走近湍流

简要回顾了20世纪湍流研究的进展,特别是近30多年湍流研究的新成就。对于湍流研究的若干热点问题提出了一些看法。     

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。