关于湍流多尺度统计理论方法的论证

用黑河化音测站的实测风、温脉动资料对一种湍流多尺度统计理论方法进行了分析验证,并应用此方法通过对相关系数、湍流时间尺度、湍谱和扩散参数等湍流特征量的研究,分析了黑河戈壁地区的湍流微结构和扩散特征.结果表明:多尺度分析方法正适合研究具有多尺度特征的大气湍流现象,可以比传统方法提供更多的有关湍流属性的信息,能够更直观地表现出不同尺度湍涡对扩散作用的大小,是发展湍流统计理论的一种有效工具     

一种改进的旋转湍流亚格子尺度模型及其应用

基于数学物理分析, 发展了一种新型的满足旋转湍流建模规则(即模型的渐近物性坐标不变性条件)的动力学亚格子尺度应力模型, 并针对展向旋转槽道湍流问题, 计算验证了该模型的正确性. 文中采用大涡模拟方法和该动力学亚格子尺度模型, 进一步研究了展向旋转槽道湍流的统计量和大涡Reynolds应力输运方程主要项的变化特性, 分析了旋转槽道近壁区的湍流拟序结构.     

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.     

三维水翼初始梢涡空泡数的尺度效应

针对梢涡流场和初始梢涡空泡数的尺度效应问题,利用大涡模拟(LES)湍流模型对三维水翼的梢涡流场流速进行模拟计算;为减少误差,对梢涡流域网格进行了局部加密处理,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算.结果表明,LES湍流模型的流场流速计算结果与实验值吻合较好.同时,介绍了经典初始梢涡空泡数尺度效应公式的推导过程,并利用数值计算的速度环量和涡核半径修正尺度效应公式.     

圆柱容器内Rayleigh-Bénard湍流对流的数值模拟

采用差分方法求解基于Boussinesq假设下三维不可压缩Navier-Stokes方程,直接数值模拟了底部加热、顶部冷却的竖直圆柱容器内Rayleigh-Bénard湍流对流问题,探讨了不同形参比下流场中大尺度环流结构、轴对称环状涡结构的变化规律,分析了形参比对于平均流场和湍流脉动统计量以及表征传热特性的Nusselt数的影响.     

基于层析PIV的湍流边界层涡结构统计研究

本文运用层析PIV技术测量了Re?=1768的平板湍流边界层,得到了250个瞬时三维三分量(3D3C)速度场.测量体位于边界层对数区,其大小为80 mm×16 mm×45 mm.旋涡强度ci?准则用来进行涡识别,以ci?在各个方向的投影作为该方向上的旋涡强度.本文通过线性随机估计、预乘功率谱等技术对湍流边界层中的涡结构进行了统计分析.结合高低流速区域,发现强剪切区域存在周期性分布的涡结构.最后用本征正交分解对流场进行尺度分离,发现大尺度结构对应的速度分布接近原始流场,而小尺度流场的涡量分布和频谱特性与原始涡量分布高度吻合.     

黏性流中的链环涡管演化与螺旋度分析

本文通过直接数值模拟研究了链环涡管在不可压缩黏性流中的演化过程.在初始时刻的链环涡管由两个变形的涡环组合而成,其螺旋度为依赖于涡轴参数方程的解析表达式,进而可利用该初始流场进行涡管演化研究与螺旋度分析.发现当初始链环涡管的涡量方向具有相同手性时,链环涡管和环面纽结涡管的演化具有类似的涡动力学过程;而当它们具有相反手性时,涡管间的强涡量梯度会使两涡环在短时间内产生剧烈的涡重联,从而导致涡环由快速的尺度级串过程达到类湍流状态.     

湍流边界层多尺度相干结构的子波自相关辨识

采用热线风速仪测量平板湍流边界层的流向速度信号,运用连续子波变换的自相关分析,研究边界层相 干结构的变化规律,提出了子波尺度与涡时间尺度关系的计算式．结果显示,相干结构在时空中呈多尺度分布,在 对数区集中在较大尺度,在缓冲区扩展到较小尺度,越靠近黏性底层,拟序运动越明显,并向更小尺度发展;广泛存 在的相关性很弱的小尺度涡成为数量巨大、含能很少的背景湍流．子波变换的自相关分析可以定性,也可定量显示 涡的时空特性,是研究湍流多尺度相干结构的有效方法．     

稳定分层湍流的大涡模拟

稳定分层湍流是大气和海洋流动中常见的自然现象, 是预测大气和海洋流动的重要物理机制. 我们用大涡模拟方法研究稳定分层流体湍流, 以期获得与实际大气和海洋中稳定分层湍流相符的性质. 我们在不同初始条件的流场和不同的流动特征参数（雷诺数Re和弗罗德数Fr）下用大涡模拟方法获得充分发展湍流场. 通过分析湍动能和湍流特征尺度随时间的演化考察稳定分层湍流演化过程; 并通过三维能谱、水平和垂直能谱来检验数值模拟是否和真实大气、海洋中实测结果一致. 研究结果表明, 大涡模拟可以用较少网格数获得和实测一致的稳定分层湍流性质. 不同的初始流场都能演化为湍流, 并且发现演化过程的后期总是内波能量占优势. 研究证实要获得和实测一致的稳定分层湍流的关键是特征参数必须满足一定条件： 特征雷诺数和弗罗德数不一定要和实际大气和海洋中的参数相等, 但是要求雷诺数足够大, 弗罗德数足够小（例如Re〉102, Fr〈0.1）; 特别重要的是组合参数ReFr2必须大于10.     

圆柱容器内Rayleigh—Benard湍流对流的数值模拟

采用差分方法求解基于Boussinesq假设下三维不可压缩Navier-Stokes方程，直接数值模拟了底部加热、顶部冷却的竖直圆柱容器内Rayleigh-Benard湍流对流问题，探讨了不同形参比下流场中大尺度环流结构、轴对称环状涡结构的变化规律，分析了形参比对于平均流场和湍流脉动统计量以及表征传热特性的Nusselt数的影响．     

Vorticity Measurements Using a 6-Sensor Hot-Wire Probe in a Tangentially Fired Furnace

Vorticity, which represents the rotation of a fluid element, is an important characteristic of turbulence. Various methods have been used to measure vorticity. A hot-wire/hot-film anemometer (HWA) was used here to measure the vorticity in turbulent flows. The velocity components and their partial derivatives were simultaneously measured with a new 6-sensor hot-wire (HW) probe assuming ideal yaw and pitch factors with Jorgensen's expression and Taylor's hypothesis to analyze the data. The accurate 6-sensor hot-wire probe results for the velocity field were used to determine the velocity gradients and, therefore, the vorticity vector field. The data was measured in an isothermal model of a tangentially fired furnace. The experimental results in the tangentially fired furnace agree with numerical results.     

煤化工企业苯罐区泄漏的绕流特性

针对煤化工企业中苯储罐的泄漏问题,以河南神马尼龙化工厂苯储罐区为例,对苯储罐泄漏过程中的绕流特性进行数值模拟,并分别就单个罐体和多罐体罐区的涡量和速度矢量进行求解,结果表明:单个罐体的涡量衰减较慢,蒸气云团在尾流区产生乱流;而多罐体罐区周围出现偏流现象,涡激共振现象严重,同时尾流场存在明显的滞止区。     

面向光滑粒子流体动力学(SPH)流体的湍流细节模拟

研究基于光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics,SPH）方法的恢复涡流和湍流细节的方法,缓解因采用人工黏度而产生的数值耗散.根据由黏性力引起的动能损失率对离散点的涡度进行修正.通过流函数将涡度变化恢复到速度场,避免求解Biot-Savart积分这一耗时过程.该方法基于旋度计算,不仅可以增强现有的涡流,还可在潜在位置产生新的湍流,并且其易于集成到现有SPH方法中.实验证明,该方法可以逼真地模拟湍流细节,并实现不同强度水平的增强效果.      

小屏后涡量分布的实验研究

使用六线涡量探针在切向炉HG-2008-YM2的冷模上测量了其小分隔屏后气流的速度及涡量分布,得到了模型炉膛内描述湍流特征的参数,如湍动度,倾斜因子及平坦因子等,为热偏差成因及对策研究提供了依据。实验结果表明,在分隔屏区域,涡量场的分布和速度场一样也具有贴壁特征,小分隔屏的存在对其后的速度场及涡量场有明显的影响,由于翼型效应,右侧屏后出现了分离涡。     

高宽比对空腔流动水动力学的影响

在船舶与海洋工程领域存在广泛的空腔流动，其流动过程较为复杂，湍流结构明显。以三种不同高宽比的空腔模型为研究对象，进行了网格无关性分析，选择合适的网格开展数值计算，探究不同高宽比对空腔流动的影响。采用大涡模拟的方法，获得了不同高宽比空腔流动的流场信息，对其速度分布、压力分布、涡量分布进行分析，发现高宽比小的空腔流动较为复杂，腔内涡流非线性明显，而高宽比较大的空腔流动其速度及涡量分布集中在空腔开口域。本研究为后续船舶工程领域中空腔流动的应用奠定了理论基础。     

大曲率结构化表面湍流流场特性对比研究

湍流模型选择对于小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流场模拟计算具有重要影响.针对此问题,提出使用标准k-ε模型与考虑两相磨粒流平均流动中的旋转及旋流流动情况的重整化群(RNG)k-ε模型进行仿真对比研究的方法.基于颗粒动力学理论的欧拉模型,对软性磨粒流的控制方程进行求解.通过使用两种湍流模型,对小尺寸大曲率圆管内湍流流动进行仿真计算,得到了两湍流模型下软性磨粒流流场的速度、压力、湍动能等数值模拟结果.仿真结果对比分析表明:标准k-ε模型模拟得到的速度值与实验值存在一定误差,而RNG k-ε模型仿真的速度值误差相对较小;标准k-ε模型对湍动能的估值计算比RNG k-ε湍流模型高,难以计算有滞止点的流动过程;RNG k-ε湍流模型能更有效地模拟有大曲率带分离的湍流流动,从而证明该模型更适合小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流动的研究.     

计算三维两相湍反应流的(?)-(?)法

本文报导用于计算气体-颗粒两相三维湍反应流的矢性流函数-涡量(ψ→ω)法,其气相控制方程及用以封闭时均涡量输运方程的湍流模型,矢性流函数的性质,对煤粉燃烧室及电站煤粉锅炉计算获得的结果,并讨论了一些待进一步研究的问题。     

水平管内气液两相泡状流的紊流结构

用热膜探针对内径为35mm的水平管内泡状流中的紊流结构进行了测量，发现在管道下部非常低的局部含气率处，紊流脉动速度和紊流强度与单相液流时的相应值类似，而在管道上部的高含气处，气泡的出现极大地增强了脉动和紊流强度，局部的紊流强度是局部含气率的强函数，靠近管中心稍偏上的区域在一定的参数范围内，相应于较高气流折算速度的紊流脉动和紊流强度低于气流折算速度的相应值，紊流强分布规律从铅垂方向到水平方向随测量角增大击趋于对称。     

Scalar turbulence

The advection of a passive substance by a turbulent flow is important in many natural and engineering settings. The concentration of such a substance can exhibit complex dynamic behaviour that shows many phenomenological parallels with the behaviour of the turbulent velocity field. Yet the statistical properties of this so-called 'passive scalar' turbulence are decoupled from those of the underlying velocity field. Passive scalar turbulence has recently yielded to mathematical analysis, and such progress may ultimately lead to a better understanding of the still intractable problem of fluid turbulence itself.     

后台阶分离再附湍流流动的实验研究

采用激光粒子图像速度仪(PIV)对低速水槽中二维后台阶分离再附湍流流动进行了系统的实验研究．通过大量重复高空间分辨率瞬态速度场测量，获得了时均再附点位置和时均速度场．对实验结果进行统计分析得到了流向、法向速度分量的脉动场、雷诺应力场和展向涡量场，并给出了小涡结构配对、合并和大尺度相干旋涡结构形成过程中所出现的流动特征．