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三维均匀各向同性强制湍流中大尺度三阶结构函数

三维均匀各向同性强制湍流中大尺度三阶结构函数

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：丁梦颉谢金翰北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室青岛海洋科学与技术试点国家实验室联合实验室

三维均匀各向同性湍流大尺度能谱可由渐近展开进行估计E(k→0)=Lk/(4π)+Ik/(24π)+O(k),其中E(k),k,L,I分别为能谱、波数、Saffman和Loitsyansky积分。在自由衰减湍流中,Saffman积分是守恒的。在三维均匀各项同性强制湍流(forced turbu... 详细信息

三维均匀各向同性湍流大尺度能谱可由渐近展开进行估计E(k→0)=Lk/(4π)+Ik/(24π)+O(k),其中E(k),k,L,I分别为能谱、波数、Saffman和Loitsyansky积分。在自由衰减湍流中,Saffman积分是守恒的。在三维均匀各项同性强制湍流(forced turbulence)中,三阶结构函数K(r)在大尺度的衰减K(r→∞)=r(r为两点间隔),因此非局部的相互作用太弱而不能使Saffman积分发生变化,Saffman积分仍然守恒。然而,基于Kármán-Howarth-Monin方程,我们发现三维均匀各项同性强制湍流的三阶结构函数K(r)在大尺度的衰减K(r→∞)=r,其显著弱于传统认识的r。我们通过直接数值模拟,在不同外力形式下证实了强制湍流中大尺度的K(r→∞)=r衰减速率。同时我们研究了当到达统计平衡态后再自由衰减时结构函数的变化,发现了大尺度K(r→∞)=r的衰减并不影响Saffman积分守恒。此研究指出在三维湍流中虽然能量向小尺度传输,在大于能量注入尺度的尺度上能量注入的影响比以往预期更大(r v.s.r),因此我们可以更好地通过已分辩的大尺度湍流信息获得未分辩的小尺度湍流统计量。

关键词：三维均匀各项同性湍流三阶结构函数 Saffman积分

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非各向同性磁流体湍流中的三阶结构函数

非各向同性磁流体湍流中的三阶结构函数

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：蒋彬杨艳周康成李程万敏平南方科技大学工学院力学与航空航天工程系 University of Delaware Department of Physics and Astronomy 香港大学机械工程系

均匀各向同性湍流中的Kolmogorov-Yaglom (3-order)定律将湍流三阶结构函数和能量耗散率联系起来。近年来,这项经典的定律常被用在太阳风观测中用以得到能量耗散率。然而,太阳风湍流中存在平均磁场,并不满足各向同性的条件。为检验各向... 详细信息

均匀各向同性湍流中的Kolmogorov-Yaglom (3-order)定律将湍流三阶结构函数和能量耗散率联系起来。近年来,这项经典的定律常被用在太阳风观测中用以得到能量耗散率。然而,太阳风湍流中存在平均磁场,并不满足各向同性的条件。为检验各向异性对该定律有效性的影响,本文采用直接数值模拟对有不同外加磁场强度的磁流体湍流进行模拟,并在模拟中对速度场加力以获得时间上的统计稳态,采用超粘(hyperviscosity)用以得到明显的惯性区。对比采用超粘和常规粘性的模拟结果,超粘能得到相同趋势的结构函数,且拉长了惯性区以便检验三阶结构函数定律的有效性;在得到相似惯性区长度的前提下,采用超粘的模拟比常规粘度的模拟所需网格更少,从而降低了计算成本。随着外加磁场强度的增大,三阶结构函数与能量耗散率的线性关系逐渐偏离,且依赖于结构函数增量与外加磁场方向的夹角。对该定律的修正也将被讨论,以便更好地运用到太阳风观测中。

关键词：直接数值模拟磁流体湍流三阶结构函数超粘外加磁场

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基于三阶结构函数理论的含沙和不含沙大气表面层湍流对数区研究

基于三阶结构函数理论的含沙和不含沙大气表面层湍流对数区研究

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第十二届全国流体力学学术会议

作者：张非驰谢金翰郑晓静北京大学工学院力学与工程科学系兰州大学土木工程与力学学院力学与工程科学系

在湍流边界层研究中特征尺度的选择至关重要,特别是在结构函数的标度律研究中关于如何选择长度尺度存在争议。此研究关注三阶结构函数惯性区和对数区相匹配的表达式。我们发现选择基于局部能量耗散率的特征尺度作为结构函数的归一化尺... 详细信息

在湍流边界层研究中特征尺度的选择至关重要,特别是在结构函数的标度律研究中关于如何选择长度尺度存在争议。此研究关注三阶结构函数惯性区和对数区相匹配的表达式。我们发现选择基于局部能量耗散率的特征尺度作为结构函数的归一化尺度可以获得三阶结构函数的普适表达式。通过利用此表达式分析甘肃省民勤地区的青土湖观测列阵大气表面层高雷诺数(Re～O (10))数据,我们首先证实了含沙和不含沙流动中三阶结构函数惯性区Kolmogorov 4/5标度律的存在,其次通过数据验证了在附着涡假设简化下的Karman-HowarthMonin方程可以解释三阶结构函数的对数区。另外,我们发现在能量生成与耗散率之比随高度变化的大气表面层流动中,三阶结构函数的惯性区和对数区的过渡尺度与能量生成与耗散率之比有关,更强的耗散率导致了更广的对数区。三阶结构函数的普适性为通过测量数据获得对边界层湍流物理的重要信息,如能量耗散率,提出了一个方法。

关键词：边界层湍流大气表面层三阶结构函数含沙流动

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