封闭槽道紊流相干结构研究（精）/清华大学优秀博士学位论文丛书

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第1章 引言 封闭槽道紊流相干结构研究第1章引言〖1〗1.1研究的背景和意义自然界及工程中绝大部分的流动都是紊流紊流，例如地球大气层的运动、海洋中的洋流和湾流、河流湖泊中的水流、燃烧过程中的热流等(Tennekes和Lumley, 1972)。生活中亦不乏各种紊流紊流的例子，如天然气和自来水管线内的流动、绕过车辆或高楼的气流、通过动脉的血液流动等。教科书中一般用雷诺1883年的染色剂试验来说明层流层流、紊流紊流间的差异，其实生活中我们也可以亲身体会到紊流紊流。烟囱向外冒出的滚滚浓烟，使我们看到紊流紊流；风吹电线发出的呜呜声（由紊流紊流中的卡门涡街引起），使我们听到紊流紊流；当飞机遇到紊流紊流，机身发生的轻微摇摆及振动，使我们触摸到紊流紊流。 相比分子布朗运动的输运，紊流紊流对热量、物质及动量的输运能力是前者的三个量级以上(Holmes et al.,1998)，所以紊流紊流具有非常重要的作用。紊流紊流使得大气及海洋中的气体和养分得以输运，使得地表温度得以均衡。比如，森林中的氧气与城市产生二氧化碳就是依靠紊流紊流才得以快速交换。但紊流紊流也会带来一些负面作用，如在管道或渠道内的流动、空气或水流中行驶的交通工具，有大约一半的能量被紊流紊流耗散在了壁面附近(Jiménez和Kawahara, 2013)。研究紊流紊流将对生活和工程产生重要的价值，如可以得出飞机及车辆上的作用力和热损耗、提供不同天气条件下火电站的合理选址、预测制作芯片的硅坯料中杂质的波动情况、揭示河流及海岸中泥沙的输移规律等(Holmes et al.,1998)。 早期的研究（1910—1940年）将紊流紊流作为随机现象，认为瞬时速度由平均速度及随机脉动速度叠加而成，可以利用马尔可夫过程类的随机理论进行描述；在此期间获得了许多显著的成果，如著名的Kolmogrov局部各向同性紊流紊流的统计理论(Alfonsi,2006)。 1950年后，尤其是1990年后二维粒子图像测速（PIV）PIV广泛使用，一系列的试验发现，紊流紊流是有组织的，但这些有组织的结构（相干结构相干结构）被淹没在杂乱的紊动流场中。例如，紊流紊流流场中某些空间或时间点之间的流速存在极大的相关性，人们很容易联想到，这是由那些隐藏在看似随机紊动的流场中有组织的结构所引起(Bernard和Wallace,2002)。 流速是表征紊流紊流最基本的物理参数，也是推求其他参数（如速度梯度、涡量、环量等）和提取相干结构相干结构的基础。流速测量一般可以分为以下几种：压力测速压力测速、热力测速热力测速及粒子测速粒子测速(Tropea et al.,2007)。压力测速压力测速依据伯努利方程中压力水头和流速的关系进行测速，如毕托管，但其为插入式仪器，会干扰局部流场。热力测速热力测速依据热敏传感器的电阻与温度间的相关关系进行测速，如热线风速仪，其在风速测量方面具有广泛的应用，但由于热线难以承受液体对它施加的作用力，故应用热膜流速仪测量水流速度。粒子测速粒子测速利用与流体介质跟随性很好且具有良好散光性能的示踪粒子进行测速，如激光多普勒测速仪（LDA，LDV）、粒子图像测速仪、多普勒全场测速仪（DGV）及激光输运测速仪（LTV），它们不仅能获得单点的流速脉动，而且能提供一定时间及空间分辨率下的平面流场。LDV适用于测量液体流速，而PIVPIV广泛适用于液体及气体的流速测量。值得一提的是，虽然现在有测量三维流场的PIVPIV，如全息和快速平扫三维PIVPIV，但这些方法都价格昂贵且较难实施(Bernard和Wallace,2002)。 随着计算机科学技术的发展，直到20世纪80年代，求解紊流紊流条件下的NavierStokes（NS）方程才成为可能。紊流紊流数值模拟主要分为以下三种，分别为雷诺平均雷诺平均的NS方程（RANS）、大涡模拟大涡模拟（LES）和直接数值模拟直接数值模拟（DNS）(Robinson,1991)。RANS将NS方程进行时均化，采用相关矩或涡模型进行封闭，可以求解高雷诺数下的时均流场，但无法获得对应的紊动流场。LES假设小尺度结构在紊流紊流中具有各向同性的属性，并不直接计算，而是通过模型求解；而大尺度结构与流体参数及几何边界具有极强的相关性，采用NS方程进行三维求解。DNS不凭借任何经验或理论的紊流紊流模型，而是直接对NS方程进行数值求解。故DNS比LES具有更高的分辨率，DNS的三维速度及压力场为提取紊流紊流的小尺度结构及统计参数提供了充足的数据，但DNS还不能求解工程设计中高雷诺数下的流动，因为这需要极大的内存并且无法使用对称边界条件下的加速算法(Bernard和Wallace,2002)。 从最初通过随机变量和定性流动显示（如染色剂及烟线）推测相干结构相干结构，到新试验设备及数值模拟技术出现后，采用高时间及空间分辨率的二维及三维流场数据定量研究相干结构相干结构，从某种程度上可以说，紊流紊流的研究内容（尺度、运动及动力特性）和研究手段是随着数据采集设备、数字信号处理和计算机的发展所不断推进的。 无论是流体流经各种自然和人造边界，或是各种物质、生物及交通工具在流体中运动，流体总是和边界形影不离，所以常见的紊流紊流总与边界（如壁面）相关。壁面对紊流紊流具有极其重要的影响，表现为：壁面会衰减垂直于壁面方向的流速分量，使紊流紊流得以各向异性；壁面剪切产生涡量，涡量向下游扩散和增强的传输过程中，使紊流紊流得以不断产生(Bredberg,2000)。 固壁边界对紊流紊流存在深远的影响，壁面紊流壁面紊流内相干结构相干结构的产生和演化将有可能阐明紊动能耗散至热能的机理，研究者认为它是理解流体物理本质和进行紊流紊流模拟并控制紊流紊流现象（质量及热量输移、掺混、燃烧、阻力及噪声）的关键(Bonnet,1996)。三种典型的壁面紊流壁面紊流分别为无压力梯度的平板边界层边界层流，充分发展的槽道及管道流管道流。虽然边界条件不同，但壁面紊流壁面紊流近壁区内黏性占主导地位，按黏性尺度归一化后的统计参数（如时均流速时均流速、紊动强度等）都基本相互吻合。Marusic和Adrian(2013)认为一般将内外区分为以下四层，分别为黏滞底层黏滞底层（y+<5）、缓冲层缓冲层（50.15Reτ），其中y+为用内尺度（摩阻流速及运动黏滞系数）归一化的壁面距离，Reτ为摩阻雷诺数摩阻雷诺数。黏滞底层黏滞底层中速度分布呈线性规律，缓冲层缓冲层中黏性占主导但同时也是紊动的最高产量区，对数区对数区是内外区的交叠部分，而外区中黏性作用可以忽略不计。槽道流槽道流由于具有最为简单的边界条件，且最易于进行实验及数值模拟，得到了广泛的研究。 1.2槽道紊流紊流相干结构相干结构研究现状〖*1〗1.2.1壁面紊流壁面紊流相干结构相干结构相干结构相干结构（coherent structure）又被称为有组织的运动（organised motion）或相关漩涡（coherent eddy）(Bonnet,1996)。正如Marusic和Adrian(2013)所说，“结构”和“运动”这两个词本身就暗示着，我们对这种模式所知甚少，所以只能用一些粗略的词语去形容。到目前为止，“相干结构相干结构”还没有精确的定义，已有文献中的定义如下：Townsend(1976)定义相干结构相干结构为存在局部涡量分布且形式相对简单的一种流动模式；Hussain(1986)认为相干结构相干结构是在其空间范围内存在瞬时相位相关的紧密关联的流团；Robinson(1991)认为相干结构相干结构是流场中这样一类区域，至少有一个变量（如流速、密度、温度等）与其自身或者其他变量间在远大于流动最小尺度的时间和空间间隔内存在极大的相关性；Bernard和Wallace(2002)认为相干结构相干结构是具有相当程度的有组织的和重复性的流体单元；Marusic和Adrian(2013)认为相干结构相干结构首先必须存在旋转运动，同时其在时间及空间域内广泛存在，且其生存周期大于涡旋(vortex)旋转一周的时间。 “清华大学优秀博士学位论文丛书”（以下简称“优博丛书”）精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。“优博丛书”选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科最优秀的博士学位论文的水平，反映了相关领域最新的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的必备参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、最新进展以及创新思路的有效途径。