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力學所在螺旋湍流研究中取得進展

作者:于長平 2020-09-21 16:05 來源:
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  螺旋度的定義爲速度與渦量的標量積,螺旋湍流指的是平均螺旋度或局部螺旋度不爲0的湍流流動狀態,廣泛存在于龍卷風、台風等自然現象以及航空發動機、離心泵等旋轉機械流動中。作爲歐拉方程的最後一個裏程碑,螺旋度守恒性定理的發現爲系統研究三維湍流的時空演化提供了新的研究方向。作爲三維湍流僅有的兩個二次無粘不變量之一(另一個爲動能)Noether定理決定了螺旋度具有時空多尺度分布和多尺度多方向手性間的傳輸特征。 

  中國科學院力学研究所可压缩转捩与湍流课题组于长平等长期致力于螺旋湍流的理论及数值模拟研究工作,以螺旋度为视角,在揭示湍流物理本质、建立大涡模拟模型等方面,取得了系列重要进展。 

  在湍流級串理論方面,課題組首次發現螺旋度級串具有雙通道效應,該理論豐富和完善了湍流級串的渦動力學過程,以新的視角來解釋能量反級串問題;針對湍流經典級串理論未考慮鏡像破卻的缺陷,發展了螺旋湍流的尺度局部性理論,證實了在鏡像破卻條件下湍流小尺度流動具有普適性的規律等;突破壓力破壞方程守恒性的障礙,發展可壓縮螺旋湍流動能與螺旋度的聯合級串理論,理論上證明基于螺旋度所建立的大渦模擬模型可采用更少的計算網格量等。 

图1 基于螺旋度第一通道(a)和第二通道(b)的能流条件平均,蓝色部分表示能量反级串

 

图2 动能(a)与螺旋度(b)的尺度传输函数系综平均在不同尺度的分布

  在大渦模擬模型/方法研究方面,研究者基于湍流中螺旋度相關基礎理論,推導出了新的大渦模擬模型(HM),該模型具有轉捩/湍流自適應模擬的特點。目前,該大渦模擬模型已成功應用于高超聲速飛行器中邊界層轉捩/湍流問題、熱核聚變中的界面不穩定性導致的湍流混合等關鍵複雜流動問題。  

图3 可压缩平板边界层流动亚格子涡粘系数分布

图4 球形界面RM不稳定性湍流混合宽度随时间演化分布

  相關研究成果發表在J. Fluid Mech., Phys. Fluids, Phys. Rev. E, Phys. Rev. Fluids 等國際著名流體力學期刊上,相關研究得到國家自然科學基金湍流重大研究計劃重點項目(91852203)和國家重點研發計劃(2019YFA0405300,2016YFA0401200)的支持。 

    

  文章鏈接: 

  (1) https://doi.org/10.1017/jfm.2020.289 

  (2) https://doi.org/10.1063/5.0013009 

  (3) https://doi.org/10.1103/PhysRevE.99.033114 

  (4) https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.5.084604 

  (5) https://doi.org/10.1063/1.5128061 

    

 

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