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.     

平面混合层相干结构的三维演化

应用拟谱方法对N-S方程组进行直接求解,通过模拟时间模式的混合层流动,分析流场二次失稳后涡的配对、合并及撕裂过程,研究三维混合层相干结构的演变特征.     

逆压梯度下近壁湍流的喷射和扫掠

采用Fourier谱展开和紧致有限差分格式，选用两组共振三波为相干结构的初值，计算了其在零压和逆压梯度作用下的演化。对演化后期流场的2，4象限的运动进行了详细的分析。结果发现，在逆压梯度下，扫掠对雷诺应力的贡献要强于喷射。无论是在零压梯度还是逆压梯度下，uv和u2在法向的输运主要是靠Q2和Q4这两种运动来完成的。零压梯度下喷射部分对输运的贡献大于扫掠的部分。而在逆压梯度下喷射部分对输运的贡献明显减少，扫掠的作用要强于喷射。     

湍流相干结构对边界层中标量扩散的影响

在大气边界层风洞和玻璃水槽中进行湍流边界层流动中的标量扩散模拟试验和机理研究．通过流动显示、湍流测量和频谱分析，已表明湍流边界层中的间歇现象在标量扩散过程中起着重要作用．烟雾在大气中的扩散、悬浮污染物质在河流中的扩散都属于湍流边界层中的标量扩散问题．在近源区，标量扩散主要受到各向异性湍流相干结构的影响，结果往往在近源区会出现局部的较高浓度的污染物质．采用流动显示和频谱分析相结合的研究方法，得到了在某些流动条件下的湍流相干结构时间和空间尺度近似值     

湍流边界层近壁区相干结构的动力学模型

应用湍流边界层近壁区单个相干结构的理论模型, 通过数值模拟的方法研究了两个相干结构的相互影响, 解释了出现低速条纹的原因.     

边界层转捩过程中环状涡和尖峰结构的演化

采用高精度直接数值模拟方法, 研究在边界层转捩过程后阶段中的环状涡和尖峰结构的非线性演化及其对流动的影响. 以平板可压缩流边界层转捩为例, 精细的数值模拟清楚地展示了环状涡等典型的涡结构及其上喷和下扫的流动现象, 证实了边界层转捩过程中尖峰结构的形成与环状涡紧密相关, 特别是, 对于最近在实验中观测到的正尖峰结构, 文中的数值结果也发现同样的结构, 并进行了相应的机理分析.     

湍流相结构对边界层中标量扩散的影响

在大气边界层风沿和玻璃水槽中进行湍流边界层流动中的标量扩散模拟试验和机理研究。通过流动显示、湍流测量和频谱分析，已表明湍流边界层中的间歇现象在标量扩散过程中起着重要作用。烟雾在大气中的扩散、悬浮污染物质在河流中的扩散都属于湍流边界层中的标量扩散问题。在近源区，标量扩散主要受到各向异性湍流相干结构的影响，结果往往在近源区会出现局部的较高浓度的污染物质。采用流动显示和频谱分析相结合的研究方法，得到了在     

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.     

吹吸扰动对湍流边界层多尺度相干结构的影响

用IFA-300热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率，精细测量了风洞中施加局部周期性吹吸扰动平板湍流边界层近壁区域不同法向和流向位置的瞬时速度的时间序列信号．对平板湍流的扰动是通过平板上沿展向分布的一条窄缝引入的正弦振荡产生的．用子波分析对壁湍流脉动速度信号进行多尺度分解，用子波系数的瞬时强度因子和平坦因子检测壁湍流多尺度相干结构，并提取不同尺度相干结构的条件相位平均波形，研究不同频率的吹吸扰动对平板湍流边界层多尺度相干结构的影响，结果表明，扰动对边界层近壁区域平均速度分布、能量随尺度分布以及多尺度相干结构及其条件相位平均波形，都有显著影响，其中32Hz扰动影响最大．     

大涡结构在有压梯度边界层流中的演化机理

采用直接数值模拟方法,研究大涡结构在不同压力梯度作用下的非线性演化特征.计算结果表明:在逆压梯度条件下,大涡结构幅值快速增长,形成很强的流向涡结构,雷诺应力迅速增加,这可能导致猝发现象的产生;与此相反,在顺压梯度边界层流中,大涡结构很难被激发起来,易于流体流动趋于稳定状态.这些结论与某些理论和试验结果一致.     

壁面局部扰动激发湍流边界层近壁区相干结构的一种理论模式探讨

在壁面局部扰动作用下,应用直接数值模拟的方法,研究探讨了湍流边界层近壁区相干结构形成的一种理论模式．数值结果表明,固壁表面某个局部位置存在的某种局部扰动能激发出湍流边界层近壁区的相干结构,其形成机理的许多方面与直接数值模拟和实验结果相符,且演化规律和特性与壁面局部扰动的强度、结构分布及加入到近壁区域内的局部扰动的能量多少等因素密切相关,这些关键性参数在湍流边界层近壁区相干结构成因的过程中起着重要的作用．因此,壁面局部扰动不仅给出了激发湍流边界层近壁区相干结构形成机制的一种理论方法,而且也完善了湍流边界层相干结构产生的物理模型．     

可压缩钝楔边界层转捩到湍流的直接数值模拟

直接数值模拟了来流Mach数为6的钝楔边界层在特定扰动(音速点附近壁面吹吸)下的转捩到湍流的整个过程. 分析了平均速度剖面, 脉动速度均方根及剪切应力等统计量, 并与不可压理论及实验结果进行了比较. 展示了转捩过程中的涡结构并分析了压力梯度对转捩的影响.     

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．     

特低渗油藏考虑启动压力梯度的物理模拟及数值模拟方法

从流体在低渗透多孔介质中的渗流机理出发,通过室内基础实验和基础理论研究,以及物理模拟和数值模拟方法,运用流体边界层理论,分析了由于启动压力梯度的存在而使得低渗储层产生非达西渗流的机理和规律,建立了描述低渗油气非达西渗流模型,并对特低渗长庆油田某区块一个菱形反九点注采井网进行了实例模拟计算。结果表明,启动压力梯度的存在不但降低了低渗透、特低渗透油田的开发指标,而且还增加了开采难度。增大注入率、缩小井距可以在某种程度上降低启动压力梯度的不利影响。     

旋流器结构对内流场影响的数值研究

用有限差分法对旋流器内流场进行了数值模拟,采用各向异性的湍流模型能够正确模拟旋流湍流流场。通过对速度场、压力场的分析发现,径向压力梯度是由切向速度的作用生产的,而径向压力梯度正是驱使油滴向轴心方向运移的动力。提出了根据管中心的压力和轴向速度的变化决定旋流器长度的方法。旋流器小锥角的角度越大,分离段越长,越有利于提高分离效率。     

Research into a theoretical mode of coherent structures in the wall region of a turbulent boundary layer induced by a wall local disturbance

The idea of applying direct numerical simulation (DNS), a theoretical mode of coherent structures in the wall region of a turbulent boundary layer, has been discussed in the literature. The various aspects of the formation mechanism of the coherent structures agree well with both DNS and experimental results. In addition, a close relationship has been found between the evolutional characteristics and factors such as the magnitude and structural distribution of the wall local impulse disturbance, and the amount of energy a local disturbance introduces into the wall region. Moreover, these parameters play key roles in the formation of coherent structures near the wall region of a turbulent boundary layer. Therefore, the wall local impulse disturbance provides a theoretical model for triggering the formation of coherent structures in the wall region of a turbulent boundary layer.     

二维高超音速边界层扰动演化的数值研究及小激波的存在对流场结构的影响

采用三种不同的计算格式对Mach数为6, 8, 10的高超音速边界层中的二维扰动的扰动演化做了直接数值模拟. 在入口处引入不同幅值的第二模态T-S波, 研究了小激波开始生成时扰动幅值大小与Mach数的关系. 通过对扰动速度剖面与线性稳定性理论值的比较, 研究了小激波对流场结构的影响.     

湍流相干结构与壁压强脉动关联的小波分析

在风洞中同时测量平板湍流边界层的速度和壁面脉动压强,用小波分析法结合能量最大判别准则确定湍流边界层相干结构的时间尺度和壁压强脉动的时间尺度之间的关系．结果表明：压强脉动信号的小波能谱最大值对应的时间尺度与湍流边界层相干结构的特征尺度接近,可以利用壁面压强脉动信号的分析结果间接反映经过边界层的相干结构的时间特征．本研究选择复数Morlet小波作为小波母函数,有较好的分辨率．     

号称经典物理留下的世纪难题“湍流问题”的实质是什么？

一直以来,湍流都被认为是经典物理留下的世纪难题,因而也被认为是一个重大的基础科学问题.本文简单回顾湍流研究历史,分析了均匀各向同性湍流的研究和真实湍流的研究间为何存在鸿沟.为何前者不能解决真实湍流问题,而后者则是今后应重点开展的湍流基础研究,和如何逐步解决真实的湍流问题.在结论中提出了今后湍流研究中值得注意的几个方面.