走近湍流

第 l 劓 张兆顺等 ：止近揣流 走 近 湍 流 张兆顺 崔桂香 许春 晓 华 学 l J』 。 系湍流灾骢空，北京 IO008A 张兆顺，66岁，清华大学教授、博士生导师． 1957年上海交通大学造船系 毕业， 1959年从清华大学第一届工程力学研究班毕业后，留校执教流体力 学，先后任助教、讲师、a,lgz~、教授． 1979年以访问学者身份赴英国南安 普顿大学航空航 天系进修， 1982年英国南安普顿大学应用科学院授予博士 学位 (P}1 D)．1980年 来，主要从事湍流结构的基础研究，在湍流风浪的生 成、曲壁湍流特性、极近壁湍流结构和圆管流动的转报等方面有突出贡献． 曹任第5、第6届中国力学学会常务理事，现任国际杂志 “Flow，Turbulence and Combustion 编委、 “hitern~tional Symposium of Turhulence aad Heat Transfer”、 “h~ternational Symposium 011 Turbulence aad Shear Flow Phenomena’等国际会议科 学顾问委 员． 摘要 简要 颇 r 20世纪湍 旒研究 的进 特别是近 30多年端流研究的新成就．埘于湍流研究 f}f】若干热点 口^j题提 Ill j 些看法． 关键词 湍流，拟序结构．湍流模武 湍流是流体力学中公认的难题．自从 19世纪术 O Reynolds提出湍流的统计理论 来，已 经有一个多世纪了，经过儿代科学家的努力，湍流研究取得很大进展，但是仍然不能满足工程应 用的需要， 至于经常有悲观的论渊侵袭湍流研究．其实，在 自然科学领域中，经过若于世纪而 未能解决的课题数不胜数，数学 中的希尔伯特难题、天体的起源和演化、生命的起源等等．为什 么湍流 题没有圆满地解决会受到如此关注 ?冈为湍流是 自然界和工程 中十分普遍的流动现 象，对于湍流 问题的正确认识和模化直接影响到对自然环境的预测和工程的质量．例如，当前影 响航天器气动力和气动热预测准确度的主要障碍是缺乏可靠的湍流模型．和其他一些 自然科学的 难题不 同，解决湍流问题具有迫切性． 应 !j看到过 去 100多年 中，湍流研究有很大进步． 20世纪初叶，在 Reynolds统计理 沦的框 架下，人们只用简单的湍流模型来解释简单的1揣流运动，目前，虽然没有普适的湍流模型可以预 测所有复杂的湍流，但是有经验的湍流模式专家可以根据复杂流动的性质提出实用的模型．近 50 年柬，对于湍流本质的认识愈来愈深入，最突出的是，人们认识到湍流是有结构的不规则运动． 根据这种认识，利用控制湍流结构来控制湍流取得了显著的成就．在探索湍流的历程中，科学家 创造了先进的研究手段：各种精细的流动和流场测量方法，近代计算机的直接数值模拟， 及近 代数学工具，如分形、子波等等．应用这些近代 1 具 (以及发展新的]：具)，湍流研究人员正在走 向对错综复杂湍流有全 面和正确认识的道路上． 本 立=干 2002—0l-04收到 1)作肯曾应邀 第式 个 流体 学会议上 止近湍流’ 题做大会 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ．本立烛庄馊报 告埴础 I．修 而或．立中 ⋯ 作 者臼 的研究成果都竹弹到l 家 然科学蕈金的资助．特此感谢 维普资讯 http://www.cqvip.com 2 力 学 与 吏 践 2002 年 第 24 卷 l 湍流是有结构的不规则多尺度流动 打开湍流 的名著 (如 Tennekes and Lumley ， 流的定义有各种描述，以至于 Hinze说无法给湍流 M onin and Yaglom [ ， Hinze[ 等)，对于湍 一 个公认的定义．这种说法表明，人们对于湍 流的认识在深化中．撇开流体运动 的一般特性，比如，流体运动是非线性耗散系统，真实流体运 动是有旋流动等．湍流运动的最主要特征是不规则性，这是大家公认的． 对于湍流不规则性 的深入认 识，是 100多年来湍流研究的主要成就之一．早期的科学家认 为，像分子运动一样，湍流是完全不规则运动．类似于分子运动产生黏性，湍流的耗散可以用涡 黏系数来表述． 2o世纪初， 一些杰出的流体力学家，相继对涡黏系数提出各种流体力学的模型， 如 Taylor[ 】(1921年)的涡模型， Prandtl[ (1925年)的混合长模型和 yOU K打m五n (1930年)相似 模型等．当科学家用流体力学观念 (不足分子观念)来建立湍流耗散的涡黏模型时，就开始考虑连 续介质不规则运动的特点，其中有别于气体分子不规则运动的最主要特点是运动的多尺度性．第 一 个提出流体湍流运动中多尺度输运特性的科学家 chards。n_7Jc1922年)曾描述湍动能的多尺 度传输过程如下： 大涡包含小涡，并喂予速度；小涡包含更小 的涡，如此继续直到黏性耗散” ． 多尺度的思想导致产生描述多尺度的谱概念和谱 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 方法，并最终产生了 Kolmogorov(1941年) 的局部各向同性的通用谱 (即 一5／3谱) 湍流不仅是多尺度的而且是有结构的运动 20世纪中叶，大量的湍流实验 (包括测量和显 示)发现多尺度的湍流运动存在某种特殊的运动状态． Townsend[9J(1951年)，Corrsin[ 01(1955年) 和 Lumley[“Jc1965年)等从脉动序列的间歇性和空间相关相继推测湍流结构的可能形态．理论上 也提出过各种湍涡的模型：球涡模型，柱涡模型等．早期的湍流结构主要是从运动学上考虑，把旋 涡结构作为湍流统计的样本．我国的周培源教授是近代湍流模式的奠基人之一．他首先提出先解 方程后平均的统计方法，就是说湍涡必须满足 Navier—Stokes方程 (Chou and Chou， 1995年)_l 1． 真实的、可以观察到的湍流结构通过流动显示，以及稍后湍流直接数值模拟所证实．典型的 例子是混合层的 Brown-Roshko涡 (1976年) ，图 1明显地展示了混合层中存在规则的大涡和 分布在大涡周围的细小湍涡． 图 l 程台层fl勺Brow~一R~hko涡 (1976年)【 31 在边界层、槽道和 圆管湍流中也存在各式各样的大涡结构 例如，用激光诱导荧光的显示方 法，我们可以在圆管湍流中观察到周向 (图 2(a))和流向大涡 (图2(b)) 值得提出的是，不仅在剪切湍流中有大涡结构，简单的均匀符向同性湍流中也存在涡结构． 图 3展示的是各向同性湍流的直接数值模拟中强涡量等值面，它们是管状结构．仔细分析还可以 2)原 文 是： Big whirls h little whirls，which feed oⅡ their velocity,Little whirls ha small whirls，aⅡd so on to visco~i 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1 期 张兆顺等 走近湍流 3 a)通过回管轴线 的纵截而 圈 2 周管端流的丝 (崔桂香，张兆顺 确定管状涡的平均长度约等于各向同性湍流的 积分尺度，它们 的平均直径约等于湍流 T~tylor 微尺度．更进一步分析可以算出管状涡内部的 平均速度场，它们接近于 Burgers涡，即有轴 向拉伸的柱状涡，在管状涡之间错综复杂地分 布着各种尺度 的树叉结构， 所有以上发现充分说明：无论是简单还是 复杂湍流，都存在一定的涡结构．大尺度结构 图3备向同性湍流中的涡结构【15J 的发生是不规则的，就是说，在长时间和大范围来观察，大尺度运动结构发生的地点和时刻是 不确定 的．因此在大样本统计 中我们不可能发现这种结构，这就是为什么经典的长时间统计未 能察觉它们的原因，另一方面，大尺良运动结构一旦生成，它以一定的动力学规律演化，因此湍 流大尺度结构又称拟序结构，或相干结构．举例来说，在湍流边界层、槽道或圆管湍流的近壁区 (5 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的预估或方 案比较阶段 可以采Ⅲ简坼的代数i呙黏模 或 一s模式；需要较为精确的}十算则麻采用精细的 模 ，如雷诺应力输运模 ；如果需要湍流脉动 质，则宜采用大涡数值模拟．无论采用什么模 式，都应当有实验佐证，根据流动的特定性质，确定或修正模式常数． 面向新廿t纪，湍流模式的 标是预测工程实际中的复杂端流．所谓复杂湍流是指：流动边界 的几何形状复 ，例如：真实航天器的绕流；流动中物理化学过程复杂 例如：古颗粒的湍流、 有传热传质的湍流、燃烧或其他有化学反应的湍流等等 每个工 领域，有 自己具体的复杂流动 问题，发展实用的湍流模式应 当深入划具体 的工程领域中盘． 我们一再强 ：湍流是有结构的多凡度不规则运动，凡是能够充分反映湍流结构和多尺度特 性 的模式，应当认为是好的模式，这是改进湍il}c模式的方向．大涡模拟被认为在 2o年后能够大量 应用于 l：稃实际，凶为它能够分辨大尺度结构．除了有待于 计算机的改进外，亚格子模式是大涡 数值模|烈的关键，例如：近擘亚格子模式，亚格子标量输运模式等等．对于统计模式，它包含所 有尺度的脉动， 此不可能具有背适性，但是可以针对工程中存 的流动类型建立相应的模式， 流型的分类应以湍流的结构来区分．对于简 单的附体湍流，我l仃J已经有很好的模式，即使是代数 涡黏模式也已经够用．但是对于更复杂的流动，怎样把湍流的结构信息包括到模式中击是值得研 究的方向． Reynolds等 (1995年) J提出基 丁=结构的湍流模式的思想，他俐提出结构维数张量和 结构 “涡度 张量，作为快速畸变均匀湍流的主要结构 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 ．虽然 Reynolds提出模式只在快速畸 变均匀湍流 { 考察成功，但是他们改 良统计模式的方向是对的．分区模式 (zonal mode1)的思想 很早就提 出来了 (Ferziger等， 1988年) J，但是根据什么准则分区有待研究，无疑它们和湍流 的结构有关．还有一些湍流专家 例如 Spalart(1997年)I 。，提出可以把大涡数值模拟和 RANS 组合，这种分区组合很容易过渡到全场大涡数值模拟 总之，湍流统计模式在新世纪初仍然是预测复杂湍流的主要 r具，我们不必期单普适的湍流 模式，而期望新型湍流模拟方法 (不是某 ‘种模式)能够正确包含湍流多尺度结构的信息． 4 湍流呼唤理论 2o世纪，科学家对湍流的不规m 进行 了深入的理论探讨，以 Koknogorov为代表的莫斯科 学派和 Taylor、 Batchelor为代表的剑桥学派对湍流研究有杰 出贡献．但是认真考察一百多年 的湍流文献，人们发现推动湍流研究的理论伺指可数 ．有A统 计， 19／)9年到 1975年问经过 维普资讯 http://www.cqvip.com 8 学 与 实 践 2002 年 第 24 卷 遴选的有价值的湍流 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 每年以指数函数增长 (N≈o．43 exp 1， t以年为 位 ．在此期 间，可以称做奠基性的理论只有 Kolmogorov的局部各向同性湍流理论． 20世纪后半 世纪，有 ^量的湍流数值模拟和实验结果公诸于世，然 而理论上却相对贫乏． Kohnogorov曾经断言 湍 {j{c是多变量的随机过程，封 闭湍流不是纯数学问题． Kolmogorov的论断没有错，可惜他没有认 识到湍流是多尺度有结构的随机过程．随机的力学运动过稃必须满足牛顿运动定理，这是第一一原 理，但是仅有第一原理不足以解决随机的力学运动过程，只有正确认识它的随机过程 的性质 才 能虽终掌握它的规律．历史上的范例有：我们可以用 Langevin方稃描述分子群的布朋运动，因为 人们正确地认识到布c!J】运动是一种简单的马尔可夫过程．在湍流历史 上有必败的理论 也是因为 它们错误地描述了湍流的随机过程 的性质，例如，湍流脉动 的准高斯过程理论．我们完全有根据 地说：湍流是复杂的尚未能正确描述 的随机过程． 科学在发展、在前进，近代的混沌、分形、重整化理论等有助于我们建立湍流的复杂随机过 程模型．希望 2l世纪是诞生湍流理论 的时代． 参 考 文 献 l Tennekes H ．Lum ley JL A First Course in Turbulence．M IT Press，1972 2 Monin ASl k％glom AM Statistical Fluid Mechanics：Mechanics of Turbulence fEnglish translation)Vol I and II M IT Press．1975 3 tfinze O．Turbulence ．M acOdll 1976 4 Taylor GI Diffussion by continuous movem ents Proc London M ath Soc 1921l 20：196 5 Pran dtl L Bericht uber Untersuchungen zur aus gebildeten Turbulenz ZA M 1925．5 136 6 von K m n T M echanische Anllchkeit und Tu rbu]enz Nachr GeS W Iss Gottingen M ath-Phys 1930 K 1 51—76 7 Richardson LF VJeather Prediction by Numerical Proc~~$ Cam bridge University Press，1922 8 Kolm ogorov AN．The local structul~of turbulence in incompre~ible viscous fluid for very large Reynolds number ． Dokl Akad 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1987．177：133 18 Xu C Zhang Z．Origin of high kurtosls in viscous subl~yer Physics FMids，1996．8：1938~1942 19 M oin P et ．Direct num erical simulation：A tool in turbulence research Arsrsual Review d M echanic~， 1998．30：539 20 Adrm n RJ Particle-Im aging Techniques for experim ental fluid mechanics A~nucd Review Ftuid Mechanics，1991， 23：26l 3O4 21 Tokum aru PTl Dimotakis PE Im age correlation velochnetry Exp F~uids．1995，19：l～ 10 22 Bradshaw P The b髓 t turbulence models for engineers．In：M odeling Complex Turbulent Flows Kluwer Academ ic Publishers，1999 (下转第 17页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 l 劓 杨粜林 ：明代加舫 f：技术应用与研究进胜 14 M itchell JK Vi][et~,VCB Reinforcement of earth slopes and einbankmenls the am erican natlonM cooporative Highway Research Program Report 290 1987 23~37 15 ＼~ang YH．、 ng M C Perform ance of poIypropylene-strlp-reinforced soil retaining structure Geotechnlcal Engi neer~ng，1994、25(0：39~53 l6张- 喜．孙钧 l 【：音成材料加赫 1．应变软化特性成弹 肚分析 木 1 程学报， 2000，33(3)：l04～107 l7郑翘人．撰晓南 岩 } 性 力学 础 北求：中凹建筑 1、l HJ版礼 1989 18ll~222 l8 难建民．邵啦俊 {1 返衙载 r饱和砂 瞬态打教报辩强度的州宽 水l刊学报， 1987(10)：33~38 19棘干成等．饱和砂 循环动 娈特性的弹 陛枝拟研究 岩上 1程学报． 1995、17(2)：l～12 RESEARCH PR0GRESS 0N REINF0RCED EARTH YANG Guolin (Civil and Architecture Institute of Railway C~npus，Central South Universitx．Changsha 410075，China) Abstract The research prog~PSS of geosynthetics and reinforced earth is reviewed in this paper The focus for future research is pinpointed Key words geosysthetics，reinforced earth，bas is theory,application research (上接第8页) 23 Foster I．Designing and Building Parattel Programs Addison-W esley,1995 24 Reyaotclz W C，K~ iaos SC．Development of structure-based turbulence modetiag In：M ode[ing Complex Turbu 1ent Flo~s K tuwer Academ ic Publishers．1999 25 Ferzlger J．et al ZonM mode[1ing of turbulent flows philosophy and&ccomplishments In：Near-W Ml Turbulence Zaric M em orlal Conference．1988 800 26 SpM~t PR．et al Comments on the femsibi[ity of LES for wings，and oR a hybrid RANS／LES approach In： Advartces in DNS／LES Greydea Press．1997 l37 27 Lum ley JL．yaglom AM A century of turbulence In：Advi ce irt Turbulence VIII CIM NE．Barcelona．2000 APPR0ACHING T0 TU RBULENCE ZHANG Zhaoshun CUI Guixiang XU Chm~ ao (Department of Engineering Mechanics，Tslnghua University,Belling 100084，China) A bstract The paper briefly reviews the development of turbulence mseaech |n 20 century in particular the recent achievement in past 30)'ears．A mmlber of ideas are put forward on some hot spots in turbulence research K ey words turbulence，quasi-organized motions．tur bulence modelling 维普资讯 http://www.cqvip.com