基本介紹
- 中文名：擬序結構
- 外文名：coherent structure
- 別稱：相干結構
- 領域：流體力學
- 位置：邊界層湍流
- 過程：猝發(Burst)過程
定義,來源和發展,性質,作用,控制,
定義
擬序結構是一個連續的大尺度湍流團，它所在的空間範圍存在一個相關聯的渦旋，並且存在一個有序的渦分量，湍流是由擬序與非擬序的運動組成，後者加在前者上並延伸到擬序結構的邊界。
所謂擬序結構，是指在切變湍流中不規則地觸發的一種序列運動，其起始時刻與位置是不確定的，但一經觸發，它就以某種特定的次序發展特定的運動狀態，又稱相干結構(coherent structure)。
來源和發展
長期以來湍流被視為無規則的隨機運動。1940年代，Corrsin以及Townsend發現湍流場與非湍流場之間存在一個明顯的界面（sharp interface），該界面後來被Kovasznay稱之為在邊界層中的大渦結構。1958年，Grant在“大渦假設”構思的基礎上，進一步研究了平面尾流，發現尾流中的大渦結構比想像的更加有序，而且尾流中包含有兩種大尺度結構，一是渦的配對，兩排渦一個接一個地以相反的方向旋轉；二是一系列流體從尾流中心射向外緣，他指出這一現象是湍流切應力不穩定的結果。50~60年代，Kline等用簡單光學技術對流場進行觀察，表明湍流並非像以往所說的那么雜亂無章，他們在邊界層中注入染料，發現近壁處有縱向條紋結構，並觀察到一種有序的“猝發”過程周期性地發生，這些過程雖然在其空間尺度和強度上仍然無序，但是存在一個明確的統計平均周期和一定的結構外形，這一有序的現象引發了人們對邊界層結構的再認識。1971年，Crow和Champagne發現在自由射流的剪下層中存在有序的渦結構，其特徵就像上游的擾動在下游的傳播。
雖然人們很早就以多種形式觀察到流場中的有序結構，但是湍流中的擬序結構這一概念，是Brown和Roshtko在平面混合層中觀察到此現象後，才得以承認並流行開來的。這一過程如此漫長，一則因為人們的觀念通常先入為主，湍流的隨機性質在人們腦中根深蒂固；二則因為使用了一個多世紀的雷諾平均法，抹平了流場中某些結構特性，阻礙了人們對擬序結構的認識。
隨著湍流工作的展開，為了能夠定量地獲得更多背景湍流場中相關擬序結構的時空特性信息，自70年代開始，人們基於擬序結構運動特性的不同側重、不同理解發展了各種不同的條件平均與採樣技術，其中最常見的有象限法(Willmarth和Lu，1972年)、變間隔時間平均法（簡稱VITA，Blackwelder和Kaplan, 1976年）等，由於檢測條件的機理不同，因此獲得的結構並不統一。
進入八十年代，Head和Banyopadhyay(1981年)採用煙線技術第一次把實驗中發現的渦結構解釋為發卡渦。
性質
- 具有典型的組合結構，如線渦、髮夾渦等，其最大的結構尺度相當於橫向流動尺寸。
- 結構形狀和動力學參數，都具有高度的規律性和重複性。
- 該結構沿下游所保持的距離遠大於它們的特徵尺度。
- 對湍流的特性，如能量、切應力、流體的捲入和摻合、聲的放射等有很大貢獻。
- 與層流向湍流轉捩時的結構非常相似。
- 結構被人為的破壞後，它又能自發的重新形成。
作用
已有的研究表明，流場中擬序結構包含了一定的能量。據估計，擬序結構所包含的能量占流場中總能量的比重，在平面混合層中大約是20%，加速混合層中大約20%，射流的近區流場大約50%，軸對稱射流遠區流場大約10%，尾流近區大約20%，平面尾流遠區大約20%，壁約束流場大約10%。由此可見，通過控制擬序結構的強弱就能夠達到改變湍流場特性的目的。
已有研究還表明，擬序結構是產生流動噪聲的主要根源，對擬序結構加以抑制和破壞，能大大降低噪聲。圓射流中的噪聲源不隨流場移動，而是固定在渦配對的位置上。這也就是說，不是擬序結構存在的過程對產生噪聲起作用，而是擬序結構形成的過程產生了噪聲。
大渦擬序結構在運動中，會把結構周圍非湍流的流體卷吸進結構中來，在大渦合併過程中，這個卷吸現象尤其明顯。就自由剪下層而言，流場的增長主要是大渦擬序結構的相互作用、合併以及大渦的卷吸作用造成的，並非小尺度結構湍流擴散的結果。對於邊界層而言，由於壁面的剪下作用，其卷吸過程更加複雜。
擬序結構對流場的混合、燃燒和化學反應過程、熱的輸運的影響已經引起了人們的重視，並成為近年來人們研究的重點，對擬序結構的人為控制也逐漸引起人們的注意。最初人們在飛行器設計中發現，通過人為地將分離點推後能使機翼獲得更高的升力，而推遲分離點的具體辦法就是激發擬序結構的產生。此外，通過影響邊界層中的擬序結構能減少阻力，這無疑是一種經濟而有效的辦法。
控制
迄今為止，人們比較熟悉的增強擬序結構的方法有兩種，一是對流場施加周期性激勵；二是在流場中加入高分子聚合物。後者還能使自由剪下流中的非擬序小尺度結構變少。較早的研究結果還表明，在壁湍流中加入高分子聚合物後，能使壁面切應力減小，最近的研究探明這一結果與擬序結構的變化有關。
在流場中加一個相對高頻的周期性激勵、改變邊界條件以及固壁表明條件或者設定大渦分解裝置等方法，都可以起到抑制或者破壞擬序結構的作用。
