方、矩形环管湍流直接数值模拟分析:Ⅱ.雷诺应力场与平均能量谱,对传统湍流本构关系的再认识

通过对直管道内充分发展湍流的直接数值模拟,建立方、矩形环管内充分发展湍流数据库,其中包括详细的湍流统计数据:(1)湍流平均流场,即平均流向速度与湍流驱动平均二次流(史称Prandtl第二类二次流);(2)湍流雷诺应力场;(3)湍流时均能量谱.本文给出了方、矩形环管内充分发展湍流雷诺应力场分布信息,对90°凸角域附近的Prandtl第二类二次流生成项结构进行了仔细剖析,特别诠释了凸角域二次流的生成机理.将方、矩形环管90°凹角附近的流场,包括平均流场(流向速度,平均二次流)和雷诺应力场中的湍动能,与现有的实验和直接数值模拟数据进行详细对比验证,展示了方、矩形环管内直接数值模拟结果的有效和合理性.基于对湍流雷诺应力场和能量谱特征的观察,本文提出了重新审视和认识传统湍流本构关系的必要性.对标量涡黏系数所隐含的各向同性物理涵义与假设给出严格数学证明,在此基础上,提出了以张量涡黏系数描述湍流各向异性运动特征的研究思路,给出了发展以描述各向异性湍流运动为目标的新型湍流本构关系.基于此关系进一步提出未来研究设想,即发展基于直接数值模拟结果的雷诺平均湍流封闭模型,以提高雷诺平均模拟的物理可靠性和准确度.     

沟槽壁湍流减阻机理的氢气泡流动显示及数字图像分析

应用氢气泡流动显示和数字图像处理技术,对微型沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.对开口循环水槽中沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带流动结构及其猝发现象进行了氢气泡流动显示,应用"帧间比较"定量分析方法,获得了水平平面内流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布,并对沟槽壁面和平板壁面近壁面区域湍流相干结构的氢气泡流动显示图像进行了比较分析,根据流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布分析了沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带结构的展向尺度特征,从壁湍流相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.     

基于直接数值模拟数据分析的类-1湍流边界层内层律关系

湍流边界层普适统计规律探索一直是湍流研究中的重要课题.本文根据Schlatter和?rlü给出的零压梯度平板湍流边界层直接数值模拟数据,对沿流向存在壁面切应力变化的类-1湍流边界层提出再认识的必要性.首次采用时-空间平均摩擦速度作为尺度描述类-1充分发展湍流边界层内层,给出了对内层不依赖于雷诺数基于双控制参数的数学表达,并对其中两个控制参数进行了深刻的物理剖析.指出该数学表达式可以被视为同时考虑和引入了局部壁面切应力增量(Δ)和线性律适用范围特征量(D)这两个关键影响因子修正,并进一步验证了此修正对内层描述的准确性和有效性.研究获得了类-1和类-2湍流边界层内层的统一表达式及其适用范围,发现在大部分情况下,特别是当局部壁面切应力偏离时-空间平均壁面切应力时,内层数学表达式的适用范围在d*=8.0以上,最高可达到d*≈10.0,而传统线性律的适用范围则均在d*=6.0以下.明确揭示了其物理机制是内层速度的表达可根据边界层内层特点,准确描述近壁黏性底层和内层过渡区(非线性增长区)中的速度剖线发展趋势.此机制的发现为湍流边界层内层律的构建和与外层对数律的衔接,并为进一步发展完整统一的类-1、2湍流边界层壁面律提供坚实数学物理基础.     

湍流边界层的空间模式DNS的入口条件

湍流边界层的空间模式直接数值模拟(SDNS)的入口边界条件, 应能反映上游湍流的特性, 这是一个难题. 建议将由时间模式直接数值模拟(TDNS)得到的充分发展湍流流场(只需要一个时刻的流场)以适当方式转换成SDNS的入口流场. 计算证实该方法可行且有效. 还发现在适当的时空转换关系下, 由时间模式和空间模式所得的充分发展湍流的各种统计量, 不仅在定性上, 而且在定量上均符合得很好. SDNS得到的充分发展湍流的平均流剖面、湍流Mach数、各种量的脉动均方根值和Reynolds应力等沿平板法向的分布也都具有相似性.     

关于边界层湍流能量耗散率的研究

应用PIV系统对湍流边界层内的耗散率标度律进行了实验研究,结果显示,对不同尺度上和3个不同法向位置湍滴耗散率标度律的湍流耗散主要发生在小尺度上,即湍流耗散率标度律在小尺度上具有普适性.并且随着尺度的不同,近壁面小尺度上的湍流耗散比较明显,远壁面上的湍流耗散率较小.     

可压缩尖锥边界层湍流的直接数值模拟

采用高精度差分方法对来流马赫数0．7,来流Reynolds数250000／Inch,锥角为20°的尖锥边界层的整个空间转捩过程进行了直接数值模拟．对流项采用了7阶迎风格式离散,黏性项采用6阶中心格式离散,时间推进为3阶Runge—Kutta方法．对转捩形成的充分发展湍流进行了统计分析,包括平均速度分布,近壁湍流强度和雷诺应力等统计数据与平板边界层理论及实验吻合很好,验证了结果的正确性．显示了近壁湍流的典型拟序结构——高、低速条带结构并根据流向速度的周向相关量确定了条带的间距,以当地壁面尺度度量的条带间距沿流向并没有显著变化．给出了柱坐标下的可压湍动能发展方程,并据此对近壁湍动能的生成、耗散和输运机制进行了分析．     

湍流边界层雷诺应力和壁脉动压强相位滞后分析

在风洞平板湍流边界层外层引入圆柱尾涡的周期性扰动,在尾流干扰下的湍流边界层内进行测量,对相位滞后关系进行了实验研究,给出了湍流边界层内的雷诺应力和壁面脉动压强相对于边界层内的大尺度结构变形率的相位滞后沿壁面法向的变化趋势,分析结果表明剪切湍流涡粘模式中的涡粘系数应该是随时均流梯度变化的复数形式.     

平板边界层湍流的数值分析

对于不可压缩平板边界层的时间模式的直接数值模拟(DNS)而言,在转捩后继续计算,就可以得到湍流直接数值模拟结果.分析计算结果发现,当湍流充分发展后,其平均流剖面、各种量的脉动均方根值和雷诺应力等沿平板法向的分布都具有相似性.不过,从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程,其间上述相似性不成立.这一结果为简化但又较准确地计算工程技术问题中的湍流提供了一种可能性.此外,还分析了其他一些湍流特征,如形状因子和位移排移厚度随时间的演化规律.为了观察到相干结构,须将展向的计算域缩小一半,以增加分辨率,研究结果表明,湍流边界层近壁区存在相干结构,其主要表现是准流向涡或涡对.     

边界层流动中湍流斑形成机制的数值研究

边界层流动中层流向湍流的转捩是一个古老但仍没有解决的问题.虽然对转捩过程的探索已付出了艰苦的努力,但依然有一个重要的物理过程还没有弄清楚,即转捩过程中湍流斑形成的原因以及湍流斑的运动特征是什么,这些问题正有待于人们做进一步的研究.文中提出以壁面局部脉冲形式的小扰动来模拟边界层流动中湍流斑的初始扰动场,采用紧致有限差分的方法,数值模拟了边界层流动中湍流斑的生成和演化规律;结果显示,它们在好多方面反映出湍流斑的基本特征.     

湍流多尺度相干结构间歇性的PIV实验研究

利用粒子成像测速(PIV)系统测量了湍流边界层中流向速度平面,并对湍流多尺度相干结构统计特性进行了实验研究.利用连续子波变换,计算了不同尺度、不同法向位置的子波系数概率密度函数.结果发现缓冲区有着更强的间歇性.利用子波系数量化湍流间歇性的方法,应用推广的自相似律(ESS),计算了子波系数结构函数的标度指数.研究表明:当多尺度相干结构被提取出后,利用子波系数计算的ESS标度律就符合科尔莫戈罗夫提出的线性标度律,验证了多尺度相干结构是湍流边界层产生奇异标度律的原因.此外,利用PIV系统测量的数据,给出了流向平面内的以子波系数表达的能量分布.这种方法有利于进一步对多尺度相干结构在空间平面内的辨识与特性进行研究.     

二维凸肋通道中湍流动量与对流换热协同关系的分析

用数值计算的方法模拟了二维凸肋通道的流场和温度场，考察了不同肋高时充分发展湍流流动的热边界层中流体的温度梯度矢量与速度夹角对换热的影响，分析了二维加肋通道流的传热强化机理，提出了通过改变边界层来控制出纳感协同的方法，在湍流流场中进一步发展了场协同理论。     

超音速平板边界层湍流的直接数值模拟及分析

用时间模式对来流Mach数为4.5的平板边界层湍流进行了直接数值模拟. 发现当湍流充分发展后, 其平均流剖面、湍流Mach数、各种量的脉动均方根值和Reynolds应力等沿平板法向的分布都具有相似性. 但压缩性效应已较强而必需考虑, 强Reynolds比拟不再有效, Morkovin假说不再成立. 从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程, 其间上述相似性不成立.     

基于DNS数据库的超音速湍流边界层近壁区相干结构的研究

通过时间模式的直接数值模拟得到来流Mach数为4.5, Reynolds数Re_θ = 1094的充分发展平板湍流边界层的流场数据库. 采用实验研究中常用的检测方法对此流场进行相干结构检测, 发现超音速湍流边界层近壁区同样存在相干结构. 分析了Mu-level法、第二象限法和VITA法三种条件采样的检测结果, 发现Mu-level法检测到的是低速条纹, 第二象限法检测到的是低速条纹的上升部分, VITA法检测到的则是从低速条纹区到高速区的交界区. 尽管三种方法检测到的是不同的区域, 但它们都伴有准流向涡结构.     

边界层流动中湍流斑形成机制的数值研究

边界层流动中层流向湍流的转捩是一个古老但仍没有解决的问题．虽然对转捩过程的探索已付出了艰苦的努力,但依然有一个重要的物理过程还没有弄清楚,即转捩过程中湍流斑形成的原因以及湍流斑的运动特征是什么,这些问题正有待于人们做进一步的研究．文中提出以壁面局部脉冲形式的小扰动来模拟边界层流动中湍流斑的初始扰动场,采用紧致有限差分的方法,数值模拟了边界层流动中湍流斑的生成和演化规律;结果显示,它们在好多方面反映出湍流斑的基本特征．     

变形壁面湍流流场的谱方法

为了获得高精度变形壁面湍流流场,该文采用纳维-斯托克斯方程的时间分步法和贴体坐标的基本原理,推导出一种求解变形壁面湍流流场的谱方法.以行波壁及反向控制壁面为算例,对变形壁面控制的槽道湍流进行了数值模拟,建立了槽道湍流数据库.分析了控制前后流场中的速度和近壁涡结构的变化情况.结果表明,谱方法可用于模拟变形壁面的湍流流场,且具有较高的精度:采用行波壁面和反向控制壁可以抑制壁湍流,实现减阻.     

湍流边界层Lagrangian拟序结构的辨识

用时间连续二维PIV测量充分发展湍流边界层,对测量得到的（x,y）平面速度场应用有限时间Lyapunov指数方法辨识Lagrangian拟序结构,发现湍流边界层中的典型Lagrangian拟序结构（LCS）是广义马蹄涡结构,其一端延伸至近壁流区,另一端向外层伸展,在头部具有明显的展向旋转趋势．对从FTLE场中辨识出的LCS的空间形态进行统计分析,发现LCS的倾斜角θ的概率密度分布在近壁区符合t分布,而在外层呈现为双峰分布,其概率峰分别对应马蹄涡的头部和颈部．空间相关分析表明,LCS的平均倾斜角靠沿法向先增加后减小,其数值和变动趋势与瞬时LCS倾斜角θ的均值相同．θ的最可几值在y^＋=100附近达到最大值24°,说明马蹄涡由涡颈过渡到涡头的位置最有可能出现在y^＋=100附近．最后对FTLE场进行了时间一空间相关分析,发现LCS的平均对流速度沿法向的分布在对数区与当地边界层的时均速度型基本一致,说明在湍流边界层中马蹄涡的对流决定了边界层内的流体输运特性．     

周期性扰动对湍流边界层层次结构的影响

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,对湍流场的速度脉动时间序列信号进行了统计分析,研究了湍流边界层中周期性人工扰动对湍流结构的影响,结果表明高频扰动的湍流中She-Leveque（简称SL）湍流层次相似律成立。     

丘陵地区深切峡谷风特性现场实测研究

根据测风塔和当地气象站数据,对江底河大桥桥址处深切峡谷的风场特性进行研究.基于数据统计分析得到桥址处风场的平均风速、风向、湍流强度、湍流积分尺度和湍流的功率谱密度函数.结果表明:该桥所在的深切峡谷地形对风向有锁定作用、对风速有加速作用、并且对各个风向下的湍流特性有明显的影响;深切峡谷顺风向湍流强度与平均速度的关系用反比例型函数拟合,拟合效果良好且高风速下接近规范值;竖风向湍流强度明显高于规范推算值.顺风向实测风谱与Kaimal谱相差较大而与von Karman谱吻合较好;竖风向实测风谱明显大于Panofsky风谱而与von Karman谱比较接近.横风向实测风谱与Panofsky谱、von Karman谱都比较接近.     

无漂移的可压缩湍流边界层数据的生成

本文描述了一种用于生成时间相关的三维可压缩湍流边界层数据的数值方法.该方法最早始于Lund的应用于不可压缩湍流边界层的Rescale方法,后来Urbin,Stolz等人又分别将该方法推广到了可压缩湍流边界层.其基本思想是将下游提取的边界层数据通过van Driest变换和修正Crocco关系式来建立湍流边界层内外层的速度和温度相似律,根据该相似律分别构建入口处内外层的流动参数,然后将内外层参数通过权函数加权合成为入口条件.Sagaut指出,Urbin和Stolz提出的Rescale方法存在着边界层漂移问题,入口处的Re数无法固定的缺点.本文直接给定入口处的名义厚度和动量损失厚度来固定入口处的来流Re数,为了解决相应的入口条件超定问题,首先采用动量损失厚度来无量纲化边界层外层法向距离,然后将权函数中的常数设置为一个优化变量,通过对该变量的设计将内外层参数加权合成为入口剖面,使得生成的入口边界条件同时满足给定的名义厚度和动量损失厚度.最后,将该方法成功应用于M∞=3的可压缩湍流边界层数据的生成,计算结果和DNS结果保持一致,充分说明了方法的可行性和适用性.     

障碍物诱导的湍流加速火焰流场的数值模拟

该文基于湍流的ｋ－ε模型和改进的ＥＢＵ－Ａｒｈｅｎｉｕｓ燃烧模型,对有障碍物情况下的湍流加速火焰现象建立了两维均相反应模型。障碍物对流场的影响不仅考虑到采用空度函数,还考虑了障碍物对流动产生的附加阻力的作用。壁面边界层区域则采用壁面函数法处理。选取Ｓｉｍｐｌｅ格式数值求解,其计算结果模拟了障碍物诱导的湍流与燃烧耦合作用下的流场的发生和发展的全过程,揭示了障碍物、湍流、火焰之间相互加速的正反馈机理