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。     

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.      

均匀各向同性湍流的频率波数能量谱

对均匀各向同性湍流的频率波数能量谱进行了初步研究，得出均匀各向同性湍流中能量随时间、空间尺度分布的解析表达式，并运用直接数值模拟的方法对理论预测进行验证．数值结果很好地支持了理论预测：横扫速度是决定频率波数能量谱的特征量．     

低雷诺数沟槽表面湍流/非湍流界面特性的实验研究

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.      

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。

     

二维湍流与弱激波相互干扰的数值模拟研究

数值研究了二维各向同性湍流与弱激波相互干扰的问题。得到了当湍流马赫效不同时,弱激波在湍流中的传播所发生的变化;给出了激波之后湍流速度脉动的方差随时间变化的趋势,并且通过其增幅在不同空间方向上的差异,揭示了激波之后湍流场的各向异性;同时分析了激波之后湍流动能的增幅和密度脉动方差的增幅对于湍流马赫效和激波马赫效各自的依赖情况。研究表明：湍流马赫效和激波马赫效在湍流与激波相互干扰的过程中起到了决定的作用。通过数值研究,初步得出了二维各向同性湍流与弱激波相互干扰问题的某些规律和特性,这对于进一步理解和研究湍流与激波相互作用的规律及其内在机理具有重要意义。     

各向同性湍流内颗粒碰撞率的直接模拟研究

对 Re_{\lambda } 约为51均匀各向同性湍流内 St_{k}(=\tau_{p}/\tau_{k}) 为 0 ~10.0 的 有限惯性颗粒的碰撞行为进行了直接数值模拟，以研究湍流对有限惯性 颗粒碰撞的影响. 结果表明，具有一定惯性颗粒的湍流碰撞率完全不同于零惯性的轻颗粒 (St_{k}=0) 和可忽略湍流作用的重颗粒 (St{k} \to \infty) , 其变化趋势极其复杂： 在Stk为 0~1.0 之间，颗粒的碰撞率随 St 的增加而近乎线性地剧烈增长，在 Stk≈1.0 3.0(对应的StE=τp/Te≈0.5)附近，颗粒碰撞率出现两个峰值，在Stk>3.0以后，颗粒的碰撞率随惯性增 大而逐渐趋向于重颗粒极限；在峰值处，有限惯性颗粒的平均碰撞率的峰值较轻颗粒增强了 30倍左右. 为进一步分析湍流作用下颗粒碰撞率的影响因素，分别使用可能发生碰撞 的颗粒对的径向分布函数和径向相对速度来量化颗粒的局部富集效应和湍流掺混效应，表明 St_{k} \approx 1.0 时局部富集效应最为强烈，使得颗粒的碰撞率出现第1个峰值； 湍流掺混效应则随着颗粒Stk的增大而渐近增大；局部富集和湍流掺混联合作用的结果， 使得颗粒碰撞率在 St_{k} \approx 3.0 附近出现另一个峰值.     

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.     

一种改进的均匀各向同性湍流初始化方法

均匀各向同性湍流是一种最简单的湍流理想状态,也是湍流基础理论研究的最重要对象之一.为了用数值方法产生均匀各向同性湍流场,一般采用Rogallo提出的方法在谱空间生成初始场,然后再转换到物理空间.研究表明,由该方法生成的初始湍流场在3个棱向上呈各向异性,在结构函数和速度概率密度分布上均有体现.尽管在初始场样本很多时,这种各向异性可以在平均意义上消除,但作为数值模拟采用的单个流场则波动较大,不利于在实际计算中作为单个初始场生成各向同性湍流.在此基础上提出一种改进的Rogallo初始化方法,称为模量平均法,将Rogallo方法在3个轴向分别进行,并进行模量平均,最后采用能谱进行模量控制.这种方法可以一方面保持初始场能谱,另一方面减小单个流场的各向异性波动,以产生各向同性程度更佳的单个初始场.在统计意义上,新方法可以分别将结构函数和速度概率密度的相对标准差减小约10%.     

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      

平板湍流边界层的声辐射

基于平板湍流边界层的壁压起伏波数—频率谱 ,给出了一种湍流边界层声辐射的估算方法 ,并对光滑平板湍流边界层和平板表面粗糙度引起的湍流边界层声辐射进行了分析。结果表明 :湍流边界层声辐射是一种四极子声辐射 ,且其辐射声能集中于平板表面粗糙度引起的湍流边界层声辐射 ;光滑平板湍流边界层的声辐射也不可忽略。     

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.     

从光闪烁频谱反演大气湍流谱:原理与数值模拟

建立了一种数值算法,从光波在湍流大气中传播的闪烁时间频谱的高频特征反演大气光学湍流谱.此算法具有两点优越性:（1）反演出的湍流谱直接表征大气折射率的起伏而非大气温度场的起伏;（2）可以获得高空间波数、大部分位于耗散区的湍流谱,而用其它方法不易获得此区域的湍流谱.对Hill湍流谱以及一种复杂的湍流谱进行了大量数值模拟来检验此种算法,结果表明:如果知道大气风速与湍流内尺度就可以相当有效地获得湍流谱.     

湍流管径问题算法的改进

本文采服无量纲参数（ｇＪＯ＾３／ｖ＾５）及ＫｓＶ／Ｑ）由最小二乘法以指数函数拟合Ｐｒａｎｄｔｌ及Ｋａｒｍａｎ公式，得出分别适用于光滑区和粗糙区的管径算式。再对以上两式作粘性关联偶合，得出适用于湍流过渡区的管径算式。可直接求出管径，避免繁复试算和迭代。计算结果与Ｐｒａｎｄｔｌ，Ｋａｒｍａｎ及Ｃｏｌｅｌｒｏｏｋ－Ｗｈｉｔｅ等经典公式能精确吻合，较Ｓｗａｍｅｅ－Ｊａｉｎ湍流管径算式误差减少一半以上。     

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。     

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。

     

湍流中的层次结构和标度律

湍流是由各种不同尺度、不同幅度和不同相干度的层次结构组成的．在从积分尺度到耗散尺度连续分布的每个尺度上,都存在具有最大振幅和最高相干度的结构──最强间歇结构．幅度较小的结构按照一定的层次对称关系与最强间歇结构相联系．这就是连接多尺度和多幅度脉动结构的层次结构模型（She和Leveque,Phys．Rev．Lett,1994;72,336）．本文对湍流层次结构理论的内容、基本观念及其新发展进行了一些综述和讨论,希望对国内的湍流基础研究能起一定的推动作用．      

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．      

激波和湍流相互作用的数值模拟

本文综述了关于激波和湍流相互作用数值模拟的近期研究进展, 主要包括激波和均匀各向同性湍流、激波和湍流边界层、激波和射流以及激波和尾迹的相互作用. 激波和湍流相互作用特性受到诸多因素的影响,如激波的强度、位置、形状和流动边界以及来流的湍流状态和可压缩性等. 激波和湍流的相互作用会引起流场结构、激波特性和湍流统计特性的显著变化. 最后简要讨论了激波和湍流相互作用数值研究需要关注的一些问题.