《湍流的記憶特性及其模式理論研究》是依託上海套用技術大學，由邱翔擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：湍流的記憶特性及其模式理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：邱翔
- 依託單位：上海套用技術大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
湍流在自然界和工程套用中普遍存在，是一個典型的複雜非線性問題，也是流體力學中至今尚未解決的難題之一。由於湍流大渦的衰減時間很長，所以對湍流的模化不能僅僅用局部物理量來表示，而必須考慮它們的歷史過程，因此對湍流記憶特性的研究及發展相關湍流模式對豐富湍流理論並拓寬工程套用具有重要意義。本課題擬從實驗數據和DNS數據分析出發，研究剪下湍流在壁面附近的記憶特性，主要關注於湍流渦粘係數隨平均剪下的變化規律，湍流大尺度結構的時間和空間尺度特性，以及湍流弛豫時間隨雷諾數的變化規律等。此外，基於以上分析，本課題擬從各向異性湍流模式出發，假設模式的參數是平均應變的函式，通過湍流鬆弛係數引入記憶函式族，對測粘函式(viscometric functions)進行模化,並最終建立考慮記憶特性的湍流模式，在最佳化模型參數的前提下，採用數值程式對該模式進行驗證，從而為湍流理論的發展添磚加瓦。
結題摘要
湍流問題是一個典型的複雜非線性問題。湍流大渦的衰減時間很長，所以對湍流的模化不能僅僅用局部物理量來表示，而必須考慮它們的歷史過程，因此對湍流記憶特性的研究及發展相關湍流模式對豐富湍流理論並拓寬工程套用具有重要意義。依據原計畫，本課題執行過程中主要完成的工作包括如下幾個部分：首先，從實驗數據和DNS 數據分析出發，研究了剪下湍流在壁面附近的記憶特性，主要關注於湍流渦粘係數隨平均剪下的變化規律，湍流大尺度結構的時間和空間尺度特性，以及湍流弛豫時間隨雷諾數的變化規律等。基於以上分析，本課題從各向異性湍流模式出發，假設模式的參數是平均應變的函式，通過湍流鬆弛係數引入記憶函式族，對測粘函式(viscometric functions)進行模化，並最終建立考慮記憶特性的湍流模式。其次，採用DNS方法研究了低Atwood數和Prandtl數條件下，Rayleigh-Taylor湍流中局部耗散尺度的分布及其時間演化規律。發現局部耗散尺度在小尺度上的分布對系統中大尺度各向異性並不敏感，而且與混合區的位置和空間演化無關。我們的結果進一步揭示了局部耗散尺度的分布與均勻各向同性湍流和管道流動中的結果是吻合的，至少對於最小湍流結構的尺度和Kolmogolov耗散尺度的分布來講是吻合的。然而，Rayleigh-Taylor湍流在大尺度運動方面給出了與均勻各向同性湍流和管流不同的結果和趨勢，這應該歸因於二維Rayleigh-Taylor湍流中在慣性區缺乏間歇性。再次，從理論角度對圓管流動中的非牛頓流體參數對粘彈性流體特性的影響進行了初步研究，通過改變參數以及壓力梯度對流量進行有效控制是本文潛在的套用價值所在。另外，對非牛頓流體非線性問題的研究與充分發展湍流的記憶特性和粘彈性效應是一脈相承的，對複雜湍流問題的研究和建立複雜湍流模式具有一定的理論意義。主要結論如下：壓力梯度對流量的影響。在選定其他物質參數(We數，粘性係數比和滑移參數)後，考查壓力梯度變化對流量的影響，可以發現在壓力梯度增大到某個值之後，流量出現了突然增加，這個值就是臨界壓力梯度，這個現象與猝發現象密切相關。出現剪下應力非單調現象的參數條件，以及速度梯度不連續條件的數學表達式，包括在極大值處的向上跳躍和極小值處的向下跳躍兩種情況。精確的數學表達式可以為我們從理論上去研究這一複雜的非線性現象提供依。
