基本介紹
- 中文名：猝發現象
- 外文名：burst
- 套用學科：空氣動力學
- 發生區域：邊界層內外區
- 特點：邊界層在某個位置上突然局部破裂
- 結果：可能導致條帶結構的破碎
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定義
猝發現象是指邊界層內外區之間強烈地相互作用時，邊界層在空間某個位置上會突然發生局部破裂的現象。即從條帶結構到速度剖面的扭曲，再到流場振盪和展向渦旋的產生，最後到條帶結構的破碎。
湍流猝發現象
湍流是具有時空多尺度結構的非線性場，有序和無序的結構在各種尺度上交錯疊加，構成了湍流的複雜性.藉助於子波分析這一數學工具，我們可以對湍流場中的各種尺度結構進行統計刻畫。與傳統的Fourier分析相比，子波分析用具有局部性的類似渦結構的子波函式代替了不同頻率的簡諧波作為基函式，可以在不同尺度上觀察湍流信號中不同時空位置的結構，因此有數學顯微鏡的美譽，在對湍流擬序結構的分尺度分析上具有明顯的優勢。Argoul等(1989)用子波分析高雷諾數風洞湍流的速度場，用空間尺度分析給出了Richardson能級的直觀顯示Everson等(1990)用子波分析了中等雷諾數下湍流射流二維染色濃度數據，顯示出該標量內部結構的尺度相似性子波分析自被提出以來，在湍流分析中已經取得了初步的成果，可以預見它對我們深入認識湍流這一複雜系統有很重要的意義。
在壁湍流中，低速流體的上拋現象和高速流體的下掃現象並稱為猝發現象。研究發現，幾乎所有近壁區的雷諾應力是在猝發過程中產生的，伴隨著猝發現象，常有流向渦出現，因此猝發現象在湍流的產生和輸運中起著重要的作用，是近壁區湍流重要的一種擬序運動。
將子波方法用於碎發檢測還是比較新的嘗試.Liandrat和Morlet-Bailly利用一維倒墨西哥帽實值子波分析了受熱壁面附近湍流邊界層中的流向脈動速度，並與VITA法做了比較，研究了湍流能量在不同尺度上的分布，指出在兩個尺度上的信號占有湍流最大能量，因此認為這兩個尺度上的結構是邊界層中的主要結構，並對應著碎發過程中的上拋和下掃事件.姜楠、王振東、舒瑋採用類似的方法對用熱膜測速儀得到的平板湍流邊界層中流向脈動速度信號進行了研究，提出了確定壁湍流猝發事件時間尺度的能量最大準則，並用子波逆變換得到了猝發事件對應的速度信號波形。需要指出的是他們處理的都是實驗測量的信號，無法得到極近壁區的信號，且只考慮了流向脈動速度。
剪下水氣界面下的湍流碎發現象
背景
物質、熱量和動量通過液體一氣體交界面進行傳輸是自然界和工程實際中廣泛存在的現象。化學工業中的吸附、蒸發和冷凝等基本工藝過程直接涉及氣液兩相之間的傳質、傳熱人氣與海洋、湖泊等水體之間的水氣、能量、動量交換是地球流體環境中最基本的相互作用，關係到人們對於氣象、氣候、環境及災害等重大問題的認識。一般來說，氣液界面處的傳輸過程，特別是不易溶解的氣體，如二氧化碳和氧氣的傳輸，決定於液相一力的傳輸速度，而界面附近的湍流運動又是控制傳輸速度的關鍵因素。由於氣液界面湍流本身的複雜性諸如上述這些重要問題，長期以來不得不主要依靠經驗和實際量測來應付。隨著化學等工業的發展和人們對地球環境的日益關注，對氣液界面附近湍流結構的研究受到了特別重視。
在過去的40年裡，存在於固壁附近湍流邊界層中的各類相干結構(coherem structure)現象一直吸引著眾多的研究者。儘管對這些結構的產生、發展、維持機制等尚未達到普遍的共識，相干結構與計算模型的結合問題也沒有得到解決，畢竟人們對固壁湍流的認識已經相當深入，許多跡象表明湍流猝發(bursting) 事件是湍流Reynolds應力的主要貢獻者，相干結構貫穿於湍流產生和維持的整個過程，對於湍流混合、物質和熱輸運、噪聲及摩阻都有至關重要的影響。
相關研究
液體一氣體交界面作為流體運動的另一種重要邊界，具有可滑移、易變形等區別於剛性固壁的特點。這也使得此類物質界面處湍流的觀測面對更多的困難。從80年代，才陸續出現了對於水一氣界面附近湍流的仔細觀測。Nezu和Rodi 、 Dickev、Komori等對液體自由表面附近的湍流強度分布等進行了測量。Dickey和Komori實驗結果都表明，在靠近界面的區域，湍流行為的最顯著特徵是垂直自由面的揣流脈動受到抑制，而平行脈動分量相反得到加強。在零剪下條件下，氣液界面處並沒有猝發之類的湍流結構產生門。因而此時的研究重點實際上是考察遠離界面區域產生的湍流在自由表面附近的行為特性。Rashidi和Banerjee、 Kumar等的明渠流動實驗(湍流產生於底部固壁邊界)，Bromley和Jirka對於格柵湍流(湍流由浸沒的振動格柵產生)在自由表面附近特徵的研究，是這方面的代表性工作。Komori等在風浪槽實驗中同步觀察了不發生風生波破碎時，波動水一氣界面兩側的湍流結構。Rashidi和Banerjee沿用固壁湍流邊界層相干結構的研究思路，對受剪下但無波動的水氣界面下的湍流結構進行了初步實驗。他們發現，當界面上的剪下率足夠大時，類似固壁邊界那樣，在水流與氣流的交界面附近也出現快慢流體條帶(streak)和辭發等結構甚至無量綱化的慢條帶平均間距和碎發周期也與固壁情況基本相同不過，需要指出的是，在Rashidi和Ban州ee的實驗中，明渠水流深度小於3.5 cm，水面湍流結構難免受到固體底邊界處產生的湍流的影響，獨立產生於剪下氣液界面的湍流結構沒有得到深入研究。
中國科學院力學研究所王雙峰等研究發現，當風速不小於2.63m/s時，水一氣界面下的邊界層流動主要由高度間歇性的湍流拌發事件控制。雖然猝發過程的具體實現中流動形態並不是確定的，但都具有以下一些基本特徵:（1）受慢條帶的影響，邊界層垂向瞬時速度剖面出現拐點，流動變得不穩定;（2）變形的速度剖面下游產生複雜的流向、橫向及垂向渦運動;（3）大尺度渦運動最終在下游破碎，流動進入小尺度混亂狀態。碎發造成的擾動可深入到比平均邊界層厚度大數倍的地方，結束後流速剖面恢復常態，邊界層內流動趨於平靜，直到新的猝發事件發生。
