周培源——立德树人 孜孜不倦

<正>周培源对湍流理论的研究有两大贡献。一是他在20世纪40年代初期首次提出湍流统计理论需要考虑脉动速度方程。他在1945年发表的“关于速度关联和湍流脉动方程的解”是现代湍流模式理论的基础。周培源早期的工作早在20世纪50年代就已被人公开引用,而真正引起湍流界的重视则是在1968年斯坦福会议上。这次会议被认为是湍流研究的一个转折点。二是他在20世纪50年代初期首次提出“先求解后平均”的湍流动力学途径的想法。     

复杂边界和极端条件对单相和多相湍流结构和输运的影响

单相和多相湍流在自然界和工业生产中广泛存在，并且大多受到复杂边界和极端条件的影响，对其物理机制的深入研究，既可以帮助揭示湍流结构生成和输运效率与复杂壁面和极端条件的耦合作用，又与大气、海洋、地核、航空发动机、石油开采、化工生产等众多动力学系统中的流动息息相关，具有重要的理论和应用价值。该文主要从复杂壁面条件对热湍流的调控、极端重力条件和多孔介质条件对湍流结构和输运效率的影响，并对湍流场中的颗粒动力学和液液两相湍流等几个方面，着重评述近年来本研究组在复杂边界和极端条件下的湍流的若干研究进展。最后，简要地总结并展望了未来研究工作的方向。     

磁化等离子体中的涡旋湍流和反常扩散

研究磁化等离子体中短波漂移阿尔芬波涡旋结构．采用涡旋气体动力学模型，估计出等离子体涡旋湍流谱，并求出反常扩散系数．研究结果表明，涡旋湍流产生的反常扩散系数与扰动场振幅的平方根成正比．     

混沌动力学和湍流的统计理论

湍流是一个非线性复杂大系统,精细地研究其奇异吸引子的几何结构和动力学行为是不可能和不必要的,必须进行统计研究。湍流具有结构这一发现并不否定统计研究的必要性和合理性。混沌动力学为在更高层次上发展湍流统计理论奠定了基础。     

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     

海洋湍流模式应用研究

海洋湍流模型研究自二十世纪70年代中发展至今,在海洋动力学研究中,特别是关于混合／层化研究中广泛应用,近年来由于认识到湍流对海洋生物过程的重要影响,对海洋湍流的客观描述更加关注。文中详细介绍了几个主要海洋动力学模型中的湍流封闭模式,如HAMSOM中的Prandlt混合长模型、Johns模型中的k-方程模型、POM中的k-kl模型、水动力学中常用的k-ε模型等等,介绍了海洋湍流模型的应用。对于湍流模型的使用提出针对具体问题选择的原则,复杂的并非最优的。     

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.     

湍流及其控制综合性、研究型、开放式教学实验

湍流作为正在发展的流体力学前沿课题，新理论、新方法、新技术日新月异，新发现、新成果、新应用层出不穷。随着湍流研究的不断深入，人们对湍流的认识也在不断深化和发展，需要不断更新对湍流本质机理的认识和理解。湍流研究发展的这些特点对湍流教学改革提供了难得的机遇，同时也对湍流教学提出了更高的要求和挑战，对湍流的教学和研究也应该用发展的观点，与时俱进的观点，跟踪世界湍流研究的最新成果，不断更新教学内容和教学手段。     

分数维空间中湍流的功率谱分析

根据湍流在统计上的自相似性，推导了分数维空间中湍流功率谱的表达式，探讨了湍流随机性与规则性之间的联系．在此基础上研究了通过分形维数求取湍流功率谱的新方法，并对2英寸水流道中的湍流进行了能谱分析，与已有实验结果的比较证明了该法的可行性和优越性．     

内燃机燃烧过程数学模型的研究进展和动向

在综合分析国内外文献的基础上，综述内燃机燃烧过程数学子模型，包括化学动力学模型、湍流燃烧模型、微元火焰燃烧模型的理论及其研究进展和动向，评述各模型的特点，并指出存在的问题．     

FVM结合PDF方法研究湍流射流火焰中的辐射换热

为了考察湍流燃烧过程中的辐射换热效应，用有限体积和概率密度函数输运方程求解相结合的方法模拟了湍流自由射流火焰中的辐射换热，并对湍流辐射交互作用进行研究．计算结果表明，辐射换热作用将使火焰的温度有所降低；湍流辐射交互作用使辐射换热有较大幅度的增强，需要在辐射换热计算中予以考虑．     

三维不可压缩均匀各向同性湍流一维能谱

基于三维不可压缩均匀各向同性湍流的Karman—Howarth方程的精确解,详细讨论了对应一维能谱的动力学行为．特别关注的是在何种自变量函数的标度下,可以得到理论与实验相接近的对比结果．给出的理论预测结论与实验数据（Comte—Bellot和Corrsin,1971）,至少在低湍流Reynolds数下具有较好的一致性．     

磁流体动力学湍流

本书2003年发行了第一版，本版于2008年出版。 导电流体中的湍流必然伴随有磁场的波动，磁场的波动将强力地影响动力学。在地球上，湍流运动中的导电流体很少，但是，在天体物理学中，材料大部分是离子化的，强的湍流是普遍的现象，因此，湍流磁场将起重要的作用，所以，天体物理界对磁流体动力学湍流有极大的兴趣。本书全面论述磁流体动力学湍流的发展现状。     

大气湍流对复杂路径下光强起伏及误码率的影响

对复杂地形情况下实际湍流大气中的激光强度起伏进行系统研究，发现了在此情况下实际湍流大气中的激光光强起伏在概率密度分布与理论上偏离很大，而大气湍流引起的光强起伏和系统误码率的关系表明：在弱起伏条件下，对于系统误码率为10^-9以下的要求，光强起伏应小于0．67；随着湍流强度Cn^2的增大，误码率增加很快；采用长波长的激光进行传输可以有效地降低系统误码率．     

二甲醚发动机湍流燃烧模型的研究

根据二甲醚发动机燃烧过程的特点，提出了一个湍流燃烧模型．该湍流燃烧模型在传统的化学动力学模型的基础上，增加了拟序火焰片湍流燃烧模型，以考虑湍流对燃烧的促进作用．数值模拟表明：在发动机中二甲醚油束的贯穿度比柴油短，基本没有碰壁现象；油孔附近的油束上边缘处具有合适的燃料浓度和较高的温度，最先发生自燃；在扩散燃烧时燃料与空气混合速度慢，燃烧速度慢，持续时间长．计算所揭示的现象与试验观察基本相符．     

湍流研究方法探究

通过对各种湍流研究方法的基本原理、使用特点的描述，展示了湍流研究手段新进展．提出了在实际工程中对湍流研究方法——实验测量方法和数值模拟的改进期望．对湍流实验研究中国际领先测量设备PIV的测量技术也进行了分析。     

均相湍流动力学

本书汇集了均相湍流动力学相关的最新理论、计算和实验结果，内容涉及各向异性流动、波主导的流动和可压缩湍流的流动，还包括旋转、分层、剪切、激波和声波等的相互作用，对于每一种情况，均用计算和实验结果来说明，包括线性理论和非线性理论的结果。这些成果对宇航工程、天体物理学和地球科学是相当有用的。     

静电除尘器中气速分布的研究

论述了湍流和次流影响粒子的传递速度，降低了静电除尘器的效率，并在Ｎａｖｉｅ－Ｓｔｏｋｅｓ和Ｓｈａｕｇｈｎｅｓｓｙ方程的基础上，进一步推导了气速理论的方程式，这一方程包括了在除尘器流体场中的电晕放电的影响．同时指出电极设计应使其能发射预计的总电流量，以使气流、湍流对静电除尘器的收集效率干扰最小．     

开口空腔中非稳态自然对流的传热问题

对后壁受热的二维开口方形空腔中的非稳态湍流的自然对流传热进行了数值研究。采用低Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数ｋ－ε双方程湍流模型，给出并讨论了空腔非稳态流动过程中典型的流型、温度场和开口特性。依据物理本质，对空腔传热随时间演变的整个过程进行了划分和分析。     

喷动床导向管内粗颗粒的动特性

喷动床是处理粗颗粒物料的高效反应器．应用粒子图像测速仪（PIV）研究了喷动床导向管内粗颗粒物料的运动规律，测量了粗颗粒物料的瞬态流场及湍流度分布．粒子运动速度基本是轴对称的，轴心处速度最高；而在近壁处低，当喷动气流速度增加时粒子湍流度也增加，轴心处湍流度高于近壁处的湍流度．管中的流动湍动十分剧烈，湍流度始终很大，这加强了气流和物料间的热量和质量的传递．