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湍流边界层相干结构研究五十年

姜楠  
【摘要】:对湍流边界层相干结构发现和研究的历史,以及人们对相干结构的认识过程进行了简单回顾,对相干结构研究未来发展的趋势进行了展望。在湍流边界层相干结构研究的初期(上世纪60-70年代),利用氢气泡和染色线流动显示技术,在湍流边界层近壁区域发现低速条带结构及其抬升、振荡、喷射,以及外区高速流体的下扫等重要相干特征,奠定了相干结构在湍流边界层的产生、维持、演化和发展中的重要地位。在湍流边界层相干结构研究的中期(上世纪70-80年代),利用热线测速技术和激光多普勒测速技术等湍流空间单点时间序列高分辨率精细测量技术,提出了检测湍流相干结构的条件采样方法,包括速度门限法(mu-level)、变间隔时间平均法(VITA)、象限分裂法(quadrant splitting),以及用自相关函数法和子波分析能量最大准则确定条件采样法的各种门限值。从世纪90年代开始,发现相干结构不仅存在于大尺度中,也存在于小尺度中。即使在均匀各向同性湍流中也存在着相干结构。不同尺度相干结构都具有很强的间歇性,它们的发展和演化过程具有共同的特征。多尺度相干结构的演变会使规则的流动遭到破坏而产生局部的湍流状态,也就是猝发现象。以前把湍流看成是大尺度的有序运动和小尺度的随机运动相结合的观念也正在改变之中,湍流的小尺度运动应该被理解为小尺度相干结构和小尺度时一空混沌的交替变化共同形成的。21世纪以来,直接数值模拟和TRPIV技术与条件采样和相位平均技术相结合,能够获得相干结构的空间拓扑形态,观察到相干结构各物理量的空间各部位拓扑结构及其在湍流产生、维持、演化、发展中的作用。从上世纪80年代开始,湍流相干结构被动控制技术及其机理研究开始应用于湍流边界层减阻,随着微机械技术(MEMS)的兴起和发展,湍流相干结构主动控制技术及其机理研究成为湍流边界层减阻技术的前沿。近期的研究结果表明,湍流相干结构是在时空有限范围内局部出现的由不同尺度的相干脉动叠加组成的相干涡包,以前由湍流大尺度相干脉动检测出来的相干结构只是相干结构的一层外壳,大尺度相干结构的物理核心是小尺度相干脉动,小尺度相干脉动也是很重要的,是气动噪声产生的主要来源。大尺度相干脉动与其核心的小尺度相干脉动具有很好的尺度相似嵌套特性,用大尺度相干脉动可以推知其核心的小尺度相干脉动。用大小尺度截然分开的观点将湍流结构截然分解为大尺度和小尺度的思想不符合湍流物理机理和本质。大涡模拟的"大涡计算,小涡模型"的数值模拟方法可以用"相干计算,随机模型"的思想代替。"相干涡模拟"的思想是重要的,应该用相干度对湍流结构进行划分,小尺度脉动中的相干部分可以从其大尺度外壳根据相似性推算出来,不需要建立模型。只需要用湍流统计理论对小尺度的随机脉动部分补充建立亚格子尺度模型。这样湍流各种平均方程的封闭性问题和模型的普适性问题就容易解决了。

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