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.     

分子云中的湍流

湍流是分子云中的重要现象,在恒星形成中发挥了关键作用.湍流研究包括能量注入、能量耗散和间歇性等.湍流能量注入可能来源于星系盘的剪切、引力塌缩以及恒星演化过程的反馈.能量注入机制可能不是唯一的.本文虽尚未明确测量到湍流能量耗散尺度,但可以通过观测确定湍流耗散速率.实测中已经观察到了分子云中湍流的间歇性.未来分子云中的湍流研究还需要大天区、高空间分辨率的谱线成图数据(例如,110m望远镜C_2H谱线、~(13)CO谱线成图)以更好地研究能量注入尺度、注入率、能量耗散率、间歇性以及各向异性等课题.     

大气湍流间歇性对玉米花粉风扩散的潜在影响

现有研究成果已充分认识到大气湍流间歇性损耗将对大气边界层中颗粒物质的输送过程产生重要影响.然而,目前关于耗散间歇性对玉米花粉传播潜在影响的相关研究较为欠缺.基于拉格朗日随机模型,以耗散速率的时间变化为关键参量,定量地评估了大气湍流间歇性对玉米花粉传播的影响.数值分析结果表明,大气湍流间歇性能够增加花粉在花粉源附近及较远位置的分布几率;与稳定的大气条件相比,湍流间歇性对玉米花粉的传播,特别是对远距离传播能够产生更大的影响,且随着无量纲耗散率分布均方差的增加,长距离传播的统计物理量响应也将存在差异.研究表明,在复杂自然条件下,用一个特定的特征值或固定函数来描述玉米花粉的传播分布可能已不再适用,而需要找到一种更合理的描述方法.     

湍流模型在折流板换热器壳侧结构优化中的应用

研究不同湍流模型在换热器流场和传热计算中的适用性,分别采用Spalart-Allmaras湍流模型、标准k-ε湍流模型和可实现k-ε湍流模型计算换热器在不同入口速度下的出口温度、换热系数等参数.将3种湍流模型的CFD计算结果与Bell-Delaware理论计算值进行对比可知,Spalart-Allmaras湍流模型的换热器性能数值计算存在明显缺陷,可实现k-ε湍流模型的换热器CFD较其他两种湍流模型的更为适用.将适用性较好的可实现k-ε湍流模型进行CFD数值模拟,模拟结果表明挡切率为25%时换热器性能最佳.     

利用静态小波变换的非定常阵风分析与模拟

在塔克拉玛干沙漠风沙环境中进行野外风场定位观测,得到了具有典型非定常特征的输沙阵风.引入静态小波变换分析了阵风小波系数的非高斯分布特征和时间演化规律,针对其时频特征,推导出各尺度小波系数与目标风速谱的能量关系,采用反映湍流间歇性的Log-Poisson级串模型辅助生成小波系数,建立了基于静态小波逆变换的非定常阵风人工生成方法,并可通过调节低频段系数生成任意非定常波动规律.结果表明:自然阵风与Karman风速谱吻合良好,在惯性子区符合湍流-5/3定律,且具有明显的间歇性和局部自相似性;基于静态小波逆变换法实例模拟人工风速序列,具有与自然阵风类似的湍流统计特征,证实了该方法的有效性.     

基于非标准分析湍流模型及其应用

基于自然界层次结构的非标准分析湍流理论是新近提出的湍流理论，它以Robinson的非标准分析为数理逻辑基础，从全新的角度得出了三阶精度湍流封闭方程，从理论上证明了粗网格数值计算理论的正确性，为湍流及湍流相关理论如燃烧的数值计算开辟了全新的发展空间.文中运用有限体积法数值求解忽略0(ε2)项的非标准分析湍流封闭基本方程，比较了平板速度边界层计算解和Blasius解，比较了两种不同湍流模型的计算结果，初步验证了非标准分析湍流理论的正确性.     

离心泵导叶扩散段内湍流计算

采用三维贴体坐标计算了多级离心泵导叶中的湍流流场,其雷诺数Re=2.59×10~5.所采用的数值方法是目前计算流体领域中较新颖的分块隐式有限差分方法,将直角坐标推广为湍流计算,湍流计算模型为标准的K—e模型.精确地模拟出了泵导叶中的高雷诺数湍流速度及压力场.其结果与实验值基本吻合.     

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.     

基于连续可变压缩系数的内燃机缸内湍流数值计算

论述了内燃机缸内压缩形式随着燃烧室几何形状的不同而改变的观点,结合燃烧室主要几何尺寸参数采用数值计算方法对缸内压缩形式进行插值计算,改进已有k - ε湍流模型中体现压缩性的系数,从而修正了缸内k - ε湍流模型.进一步将修正后的模型应用于一内燃机缸内湍流数值计算中,得到的计算结果与标准k - ε模型计算结果以及实验结果进行了比较.结果表明:修正后的湍流k - ε模型模拟精确性有所提高,适用于计算内燃机缸内湍流运动.     

气液两相流多尺度相干结构及其间歇性

小波分析用于流体力学的研究已有一定的进展,采用恒温热膜测速技术,以高于对应的最小湍流时间尺度分辨率,精细的测量了鼓泡塔内不同空间位置的瞬时气液两相流动速度信号。基于子波系数的瞬时局部平坦因子,提出用子波分析检测湍流多尺度相干结构的条件采样方法,以单气泡结构的相位平均波形为基础,对鼓泡塔内气液两相湍流场进行了研究。结果表明:鼓泡塔中气泡结构是两相湍流产生奇异性和间歇性的诱因,喷嘴出口区域的一定喷射锥角范围内,才有气泡结构,并受到对应的平坦因子及间歇性的影响。     

一个多态系统的混合吸引域和开关阵发

提出了一个具有无穷多低维对称不变子空间的多态系统,用以描述受阻尼力和周期力影响并在二维势中运动的粒子,以此研究多态的混合吸引域和开关阵发现象．在每一个子空间中均有一个混饨吸引子,此外相空间中没有别的吸引子,当某个系统参数改变时,对于不变子空间的最大横截李雅普诺夫指数从负值变为正值,系统动力学行为相应从混合吸引域态变为多态的开关阵发态．     

间歇性排气噪声产生机理及其特性的研究

按噪声起伏性大小将排气噪声分为稳定性排气噪声、周期性排气噪声和间歇性排气噪声。分析了间歇排气噪声及其产生机理，并对其频谱特性、与气压的关系以及其中的冲击噪声特性和噪声消除进行了全面深入的研究。     

大气臭氧垂直分布的非均匀结构

 对昆明地区2001年春季探测的臭氧分压廓线数据的非均匀结构进行了分析.采用结构函数和双曲分布函数建立自相似的标度律,进而描述臭氧垂直空间中的非均匀结构(如,间歇性、粗糙度、标度指数、功率谱指数、分数维等).计算结果表明:①臭氧分压垂直空间分布序列的分数维在1～2之间;功率谱指数为1～3.②在不同高度层上,对流层顶附近的分数维最大D=1.365;而对流层中的则最小D=1.205.③平流层臭氧分压的垂直间歇性强且粗糙;对流层顶附近的垂直间歇性弱又光滑,并存在着很强的奇异性.     

耦合Duffing振子的行为研究

本文用数值计算方法研究了耦合Ｄｕｆｉｎｇ振子的一些表观行为。在对称耦合情况下,随着耦合强度的改变,系统的运动除了混沌态之外,还存在倍周期分岔过程;在非对称耦合情况下,混沌同步态附近存在与对称破缺有关的开头振发行为。     

Dynamic Analysis of Symmetric Duopoly Model with Conjectural Variation

The symmetric dynamical model of a Cournot duopoly based on conjectural variation is established. Local stability of the equilibrium point is analyzed and the invariant sets are given. Then, dynamic behavior is studied by numerical simulation. With the change of gradient adjustment parameters, the routes to chaos vary. Synchronization occurs along the invariant sets accompanied by the on-off intermittency through the analysis of transverse stability. Coexistence of multiple attractors and structure of basins of attraction being more complex indicate more complicated bifurcation phenomena.     

Measuring intense rotation and dissipation in turbulent flows

Turbulent flows are highly intermittent--for example, they exhibit intense bursts of vorticity and strain. Kolmogorov theory describes such behaviour in the form of energy cascades from large to small spatial and temporal scales, where energy is dissipated as heat. But the causes of high intermittency in turbulence, which show non-gaussian statistics, are not well understood. Such intermittency can be important, for example, for enhancing the mixing of chemicals, by producing sharp drops in local pressure that can induce cavitation (damaging mechanical components and biological organisms), and by causing intense vortices in atmospheric flows. Here we present observations of the three components of velocity and all nine velocity gradients within a small volume, which allow us to determine simultaneously the dissipation (a measure of strain) and enstrophy (a measure of rotational energy) of a turbulent flow. Combining the statistics of all measurements and the evolution of individual bursts, we find that a typical sequence for intense events begins with rapid strain growth, followed by rising vorticity and a final sudden decline in stretching. We suggest two mechanisms which can produce these characteristics, depending whether they are due to the advection of coherent structures through our observed volume or caused locally.     

粒子物理中的各种分形及其可能的共同基础

在粒子物理中分形除了相应于已知的多重产生的间隙性和我们提出的分形模型外，它和多重分形还广泛联系于各种标度性，某些碰撞，统计模型及统计分布等。对分维应用的主要数学方法之一的重正化群就源于量子场论。物理上我们研究发现，分形可以应用的领域一般都与高能极限有关，也许它们都可以归于高能统计模型及相关的推广的混沌模型。