基于小波方法的粗糙壁内层湍流的多尺度分析
作者单位：华中科技大学航空航天学院 香港城市大学
会议名称：《第十二届全国流体力学学术会议》
会议日期：2022年
学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）]
关 键 词：粗糙壁湍流 湍动能 小波方法 多尺度分析 湍粘度
摘 要：受长方体阵列影响的边界层湍流是一种典型的粗糙壁湍流,因其内层湍流在城市边界层中的应用而受到广泛关注。尽管障碍物造成了空间相关的湍流运动,这种不均匀性对湍流基本特征(如湍流结构)的影响仍然缺少研究,这导致了其内层湍流模型的缺失。本文引入了具有局部变换的小波方法来研究长方体阵列如何影响湍流结构以及湍动能的生成与传递。首先,湍动能的小波表示展现了不同尺度湍流的空间分布(图1),得到了不同区域的湍流能谱。其次,能量生成谱(production spectra)与能量传输谱(transfer spectra)展示了湍动能的生成与传递的尺度和长方体的空间尺度相关。例如,交错长方体阵列内的湍流的能量生成谱在其周期尺度上最大化(图2(a)),而其能量传输谱展现了其水平方向上缺少能量级联energy(cascade)现象,即湍流通过非线性项在大尺度运动中获得湍动能(图2(b))。最后,通过基于小波滤波器,小尺度湍流产生的湍粘度的空间分布也得到了量化,显现出它们在障碍物内层远高于外层的特征。本研究发现,相较于光滑壁湍流,粗糙壁湍流更依赖于特定的空间尺度,且具有更强的空间局部性,这些结论为粗糙壁内层湍流建模提供了理论基础。
