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    我国学者在湍流结构研究中取得进展

    日期 2020-04-21   来源:数理科学部   作者:张攀峰 雷天刚 孟庆国  【 】   【打印】   【关闭

    (a) K-型转捩 (b) O-型转捩 (c) N-型转捩

    图1. 类孤立波物质面

     

    (a)Tomo-PIV速度场反演的低速条带 (b)条带內三维波物质面(c)三维波法向振幅随时间演化

    图2. 湍流边界层随机捕捉的低速条带

      在国家自然科学基金项目(批准号:10921202、11372009、11602005、11632002)等资助下,北京大学李存标教授研究团队和合作者经过理论分析、数值计算、实验模拟成功地在不同类型的转捩边界层和湍流边界层发现类孤立波结构,并利用层析粒子图像测速法(Tomo-PIV)和自主开发的近壁粒子图像测速法(近壁PIV),成功捕捉到湍流边界层中随机出现的条带结构的三维测量数据。进一步利用拉格朗日追踪法反演出类孤立波结构,从而揭示了近壁流动的基本结构是类孤立波。这一发现为近壁湍流的存在这一普遍规律提供了直接证据。相关研究成果以“边界层转捩的早期结构演化(Structure evolution at early stage of boundary layer transition)”和“转捩和湍流边界层中的流动结构(Flow structures in transitional and turbulent boundary layers)”为题,于2020年4月10和日2019年11月18日分别在线发表在《流体力学杂志》(Journal of Fluid Mechanics)和《流体物理》(Physics of Fluids)上。论文链接:https://doi.org/10.1017/jfm.2020.107; https://doi.org/10.1063/1.5121810。李存标是两篇文章的通讯作者,湍流结构实验专家、美国里海大学查克·史密斯(C.R.Smith)教授和英国皇家学会会员、剑桥大学保罗·林敦(P.Linden)教授是《流体力学杂志》(J.Fluid  Mech.)文章的共同作者。

      近壁湍流结构一直是湍流研究的焦点,目前国际上只有极少数的实验结果,大多数以数值模拟结果为主。采用等值面方法构建流动结构的技术很难检测出波,导致波在湍流产生和演化中的变化并未引起重视。湍流边界层条带出现在近壁区,由于条带产生具有随机性,通常只能定性描述,难以进行定量解析。科研团队经过10多年努力发展了近壁PIV测量和处理方法,可实现离壁最近距离y+<10的三维粒子图像测速(PIV)测量,通过Tomo-PIV成功地获得K-型转捩和湍流边界层中的低速条带的三维实验数据。对实验数据进行拉格朗日追踪处理,最终获得低速条带由类孤立波组成的直接证据。同时,他们用非线性抛物化稳定性方程(NPSE)理论模拟证明K-型,O-型和N-型转捩边界层中同样存在类孤立波。结合早前发现的自然转捩(类似by-pass)存在类孤立波,至此边界层流动都存在着共同结构,即类孤立波。

      目前,李存标团队正与查克·史密斯和保罗·林敦教授进一步合作,利用所结合发展起来的实验技术、理论体系和数值工具,对Görtler流动、Couette流动等其它流动进行研究,可以期望以期在这些流动中进一步证实类孤立波的存在。




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