壁湍流标度律与流动结构实验分析

标度律是研究湍流统计和湍流级串的重要工具,文中应用PIV系统的分辨率较高和帧率较高的特点,对在动量损失厚度雷诺数Re=2694时实验区域的脉动速度数值进行测量,利用统计学和小波分析的方法对SL标度律的间歇参数和最奇异标度指数进行拟合分析.从结果中可看出,SL标度律的间歇参数并不是一个固定的数值,而是和尺度的大小及壁面位置有关;SL标度律的另一个参数最奇异标度指数是随着壁面距离和尺度的增大趋于稳定,在大尺度上与壁面的距离无关.小波分析重构前后的流动图案显示也验证了湍流的级串过程及标度律运算的正确性.     

壁湍流SL标度律相关参数的实验分析

标度律是研究湍流统计和湍流级串的重要工具,应用PIV系统的分辨率较高和帧率较高的特点,对在动量损失厚度雷诺数Reθ=2 694时,实验区域的脉动速度数值进行测量,利用统计学和小波分析的方法对SL标度律的间歇参数和最奇异标度指数进行拟合分析.结果显示:SL标度律的间歇参数并不是一个固定的数值,而是和尺度的大小及壁面位置有关;SL标度律的另一个参数最奇异标度指数是随着壁面距离和尺度的增大趋于稳定,在大尺度上与壁面的距离无关.     

壁湍流能谱局部相似性标度的实验研究

采用热线探针测量接近中等Reynolds数的壁湍流流向脉动速度，以Fourier谱分析为基础研究湍流谱中含能区、惯性子区和耗散区之间重叠区的标度特性．实验证实以前报道的高Reynolds数并非是产生-1谱的必要条件，即使在靠近中等Reynolds数时，只要满足高空间分辨率和近壁测量，-1谱标度就会存在；标度范围应以内尺度开始，外尺度结束．实验结果表明近壁含能涡的能谱具有局部相似性；在y＋〉130的对数律层存在-5／3谱重叠标度区；随着远离壁面，Reynolds数增大，惯性子区向低波数延伸；当k1η〉0．1时，对数律层湍流谱曲线重合，显示在黏性耗散作用下Komogorov标度区的湍流能分布具有相似性，呈现局部各向同性的特征．     

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.     

充分发展湍流标度律的数学模型

为了解湍流小尺度结构的特征,以及湍流雷诺应力模型的建立,开展了充分发展湍流的标度律研究。提出了建立数学模型来研究湍流标度律的方法,可以方便地提取湍流的标度指数。结果表明:该理论不再需要"惯性区的存在"或"大雷诺数"的假设,不再依赖于标度区间的确定,标度指数完全可以通过计算确定下来,新模型确定的标度指数与ESS的标度指数几乎完全一致,误差在1%以内,且物理意义更明确。     

用颗粒相双尺度二阶矩湍流模型模拟突扩两相流动

基于将颗粒脉动分成湍流引起的大尺度脉动和颗粒间碰撞产生的小尺度脉动的概念，应用单相流动多尺度湍流模型方法，从双流体模型出发，推导和封闭了颗粒的双尺度脉动雷诺应力方程、大尺度脉动能量传递率方程、小尺度脉动耗散率方程和两相脉动关联方程，用统一的湍流模型方法构造了包含颗粒两类脉动的新的颗粒双尺度二阶矩两相湍流模型．用该模型对突扩管内的两相流动进行了数值模拟，并和单尺度的二阶矩两相湍流模型进行了比较，计算结果和实验数据吻合较好，比单尺度的二阶矩两相湍流模型的计算结果有所改进．     

非等温湍流射流中脉动量的耗散规律

本文利用具有高频响应的恒温热线和恒流冷线的组合探头对非等温湍流圆形射流中的湍流脉动动能和脉动温度的耗散率(ε,ε_θ)及其分布规律进行了测量.结果证实了由满足自模条件导出的Taylor微尺度和湍动能耗散率在射流中心线上的变化关系是成立的.推导了中心线上湍流温度耗散率的表达式并得到了较好的结果.     

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟对湍流时空关联性的研究

将格子Boltzmann方程和大涡模拟(LBE-LES)相结合,提出适应于格子Boltzmann方法(LBM)的涡黏性亚格子尺度模型,开展均匀各向同性湍流时空关联性的研究.采用D3Q19格式计算湍流的三维能谱、湍动能耗散率和其它高阶统计量,与实验和直接数值模拟结果的比较表明,该模型比传统涡黏模型有明显改进.考察了不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力,结果表明,尺度涡产生的横扫作用是造成小尺度涡时间去关联的主要因素,不同波数的频率能量谱之间有一定的相似性,横扫速度是描述湍流频率波数能量谱的特征量.     

城市粗糙子层湍流能谱特征分析

对南京市委党校两个不同高度层湍流速度谱特性分析表明:(1)近中性情况下,两层湍流动能密度均大于平坦草地上结果,并且低层湍流动能密度大于高层,高层的湍流比低层的湍流更接近局地各向同性,说明城市粗糙子层的湍流生成率要高于草地上的结果,并且越靠近冠层顶部,湍流的生成率越高,湍流越偏离局地各向同性.两层都有约20%的能谱出现了谱隙,湍流次尺度的平均量级与粗糙元的平均尺度比较接近,城市粗糙子层中粗糙元效应比较明显.(2)两层湍流动能耗散率随稳定度变化,中性情况下,粗糙子层中两层湍流动能耗散率均大于平坦草原上的结果,并且低层的值要高于高层;不稳定情况下,粗糙子层中湍流动能耗散率随不稳定度增加的增长率要高于草地上结果,稳定情况下,两者相差不大.     

湍流问题:如何看待“均匀各向同性湍流”?

在湍流的统计理论中,大气中的晴空湍流,风洞中格栅后面核心工作区的流动状态,都可以看作是均匀各向同性湍流,Kolmogorov的研究指出,能谱函数的惯性副区与均匀各向同性湍流相对应,标度律具有普适性,由此得出能量级串的著名的(?5/3)幂率.但是,在实验中观测到间歇性和拟序结构的情况下,应当对能量级串模型及其相应的各标度律进行比较研究,重点是探讨和研究它们的统计方法的物理机制.由于N-S方程中存在非线性项,特别是不封闭问题,使得理论研究和数值实验的结果具有多样性和复杂性,对此还没有任何有效的数学处理方法.本文以大气湍流为中心议题,论述了与此相关的几个主要问题,即:何为湍流难题,湍流理论与边界层理论,湍流难题的本质,大气湍流,湍流的定义问题,特别论述了3类不同的标度律,并展望了湍流研究的前景.     

海洋内波破碎及其能量耗散的研究进展

海洋内波是海洋中普遍存在的波动形式。它的不稳定和破碎会对海洋能量的再分配产生本质的影响,直接将能量从大尺度向小尺度过程传递,产生湍流混合。内波破碎产生的湍流混合又会显著地影响海洋环境。该文就近十五年来对内波的破碎机制以及内波破碎导致的能量耗散研究作一简要综述。     

Comparison of Energy Dissipation with and without Aerators

Aeratorshavebeenwidelyusedinengineeringtopreventthecavitationerosioncausedbyhigh-velocityflow.Theroleofaeratorsisnotonlytoreducethecavitationandsedimenterosiondamagebutalsotodissipatetheflowenergy.Theenergydissipationofmultipleaeratorsismoreeffectivethanasingleaerator.Experimentalresultsinafree-flowingmodeltunnelfortheXiaolangdiprojectwereusedtoanalysetheenergydissipationofmultipleaeratorsinthreetestcaseswithandwithoutaeratorsandwithandwithoutairentrainedinthewaterflow.Theexperimentswerecarri…     

多体系统动力学刚性方程广义-α投影法

利用约束投影方法,将广义-α方法进行改进应用于多体系统动力学刚性方程求解．与位移约束、速度级约束和加速度级约束投影的结合可以使各级约束在长时间仿真情况下能够同时在较高精度上得到保持;将能量保持作为约束流形进行投影,可以在长时间仿真时将能量变化控制在较小范围内,避免广义-α方法引入数值阻尼后产生的能量衰减问题．     

干湿循环作用下露天矿边坡岩石损伤能量演化分析

水位升降对露天矿坑边坡岩石强度产生明显的弱化,因此,干湿循环对岩质边坡稳定性分析具有重要影响。通过不同干湿循环次数下的岩石单轴压缩试验,基于不可逆热力学损伤理论,分析外力总功、弹性能以及能量耗散之间的内在关系。实验表明:外部载荷对岩石所做总功,一部分转化为岩石弹性变形能,还有一部分以能量耗散的形式导致岩石发生不可逆的损伤。通过岩石室内试验,研究花岗岩力学性质变化规律,建立基于能量耗散原理的不同循环次数下花岗岩损伤演化方程。室内试验分析和理论研究表明,基于能量耗散原理建立的不同干湿循环效应下岩石损伤演化方程,可以较好地描述岩石的损伤演化。     

湍流边界层逆转捩机制的实验研究

实验研究了板面向下的平板边界层中的逆转捩现象,测量了加热前后湍能生成项,耗散项和吸收项的变化规律,初步解释了逆转捩发生的物理机制。实验结果表明,通过加热,形成稳定的密度分层结构,在距离平板前缘 400—1000 mm 范围内,湍能生成项变为负值,成为实际上的湍能集中吸收区,使得边界层内层的湍流能量被迅速吸收;近壁区的小尺度涡对于湍能的耗散作用进一步增强;同时浮力引起的湍能吸收项对湍能输运也起到了很好的抑制作用。外层流动失去了能量来源,从而使得流动逐渐从湍流演变为层流。     

暴雨中尺度环境场的总动能收支

利用一套分辨率较高的中尺度实验观测资料,对一次暴雨过程的中尺度环境场进行了总动能平衡的诊断研究,讨论了对流活跃和非活跃两个时期动能平衡过程的差异．结果表明,暴雨的能量过程很活跃,非地转运动的绝热耗损和动能的向外界辐散是暴雨过程的主要能汇,而次网格尺度向网格尺度的运动动能转换,是环境场动能的主要能源;暴雨区对流层高层的能量过程比低层活跃,高层急流对环境场动能平衡过程有很大作用．比较对流活跃和非活跃２个时次的动能平衡过程发现,暴雨过程的动能平衡与对流强度变化有联系,２个不同时段的动能平衡过程有差异,尤其在中层这种差异更明显．     

基于形状记忆合金超弹性阻尼器的结构振动控制和地震时程分析

首先讨论了一种NiTi形状记忆合金(SMA)丝超弹性耗能原理，然后分析了SMA丝耗能能力与预应变之间的关系．本文还设计了一种用于框架结构振动控制的SMA超弹性阻尼器，并将该种阻尼器安装在2层框架结构模型上，进行了框架结构振动控制实验，实验结果表明该种阻尼器的耗能效果明显，可以显著提高框架结构的振动衰减速率．同时，在地震波强迫振动条件下，对该框架结构进行了动力响应有限元法模拟，计算结果显示安装了SMA阻尼器后，框架的振动响应幅度大幅降低，振动衰减速度大幅提高．     

高拱坝水垫塘反拱型底板的体型

反拱型底板的稳定性是实现消能防冲的关键所在，为了研究反拱型底板块各体型参数对其稳定性的影响，结合某高拱坝水垫塘反拱型底板稳定性的实验研究，采用有限元数学模型及局部稳定性力学模型，从反拱水垫塘底板的圆心角、板块厚度、板块尺度和锚固水平等几个方面分析了底板稳定性与其体型的关系．结果表明，拱圈的圆心角及板块尺度不宜过大，板块厚度在满足稳定性要求的基础上可做适当调整，而锚固钢筋应尽量做到均匀布置．     

预制混凝土双板剪力墙的耗能能力

为系统研究预制混凝土双板(DWPC)剪力墙的耗能能力,并为制定地方技术规程和试点工程应用提供科学依据,对3类不同边缘构造、不同剪跨比的6个预制装配式DWPC剪力墙和3个现浇剪力墙的足尺比例试件在低周反复荷载下进行了对比试验研究,对比分析了3类试件的滞回特性和耗能能力,并比较了各试件的等效粘滞阻尼系数.结果表明,DWPC剪力墙的滞回特性和耗能能力与现浇剪力墙接近,具有较强的耗能能力,抗震性能较好.研究为DWPC剪力墙结构体系的抗震设计以及进行更深入的研究提供了基础资料.     

波浪在有浅滩的波浪槽里的传播

用杂交有限元方法计算波浪在有浅滩的波浪槽里的绕射和反射;控制方程为含地形变化和能量耗损的二维波动方程。其中的地形变化包括慢变分量和小振幅快变分量。能量耗损项可根据不同的物理模型使用不同的公式,并以实例对方法的数值计算结果作了验证。