湍流边界层涡结构的识别及生成机理的数值与实验研究

Turbulence is always regarded as a hot issue in the fields of engineering research, such as combustion, multi-phase flow and turbomachinery. Turbulence is not completely random, but includes quite organized structures with different scales, named as coherent structures. Vortex structure has been recognized as the most important coherent structure in turbulent flow, which plays a significant role in the generation, evolution and maintenance of turbulence. However, controversies and uncertainties of the vortex structure still exist in terms of its definition, identification, generation mechanism, etc. In this project, vortex structure in the turbulent boundary layer will be systematically studied by the numerical simulation and experiment. Firstly, a universal and normalized vortex structure identification method which is time- and case-independent will be developed based on our previously proposed Rortex vector. Secondly, the generation mechanism of the vortex structure in turbulent boundary layer will be studied, by the quantitative analysis on the minimum angle of high and low speed fluid shear for vortex generation, as well as the influence of parameters such as the fluid viscosity on this critical angle. Thirdly, the study on asymmetric source and energy distribution of vortex structure will be provided to reveal the evolution of the vortex structure in turbulent boundary layer. The work of this project can provide significant fundaments for deeper understanding of turbulence, and also provide new ideas for the efficiency increase and the energy consumption reduction in flow control research.

湍流在燃烧，多相流，叶轮机械等工程研究领域，一直是热点问题。湍流并不是完全随机的，其中包含着有组织、不同尺度的拟序结构。一直以来，涡结构被公认是湍流流场中最重要的拟序结构，它对湍流的产生、演化和维持起着中心作用。而对于现有的涡结构的研究与讨论，无论是定义识别，还是生成和相互作用机理等，目前仍存在着诸多争议与不确定性。本项目拟结合数值计算和实验，对湍流边界层中的涡结构展开研究。内容包括：在申请人参与提出的Rortex矢量的基础上，发展一种普适的，与时间、算例无关的标准化涡识别方法；定量分析高低速流体‘搓’出涡的最小发生角度以及流体粘性等参数对该角度的影响，以此研究湍流边界层中涡结构的产生机理；从湍流涡结构非对称性的来源和能量分配等角度，研究涡结构的演化机理。该项目的开展可为湍流的深入认识提供重要的理论基础，为流动控制研究进一步提高效率和降低能耗提供新的思路。

湍流在燃烧，多相流，叶轮机械等工程研究领域，一直是热点问题。一直以来，涡结构被公认是湍流流场中最重要的拟序结构，它对湍流的产生、演化和维持起着中心作用。本项目以平板形成的充分发展的湍流边界层为基本研究对象，基于实验测量和数值方法研究湍流边界层中涡结构的提取手段、生成与演化机理。主要研究内容和创新性结果包括：（1）基于PIV测量速度场数据，提出Rortex积分方法，应用于涡生成和演化过程中涡尺寸和旋转强度关系的统计分析。涡生成演化机理可以由同步线性增长阶段、绝对增长阶段、绝对扩散阶段和时滞耗散阶段（SL-AE-AD-SD）四个阶段进行解释。（2）提出POD模态与Rortex涡核线法结合的模态结构识别方法。并应用于湍流边界层流场涡结构的模态结构识别，从新的角度揭示了不同模态的物理意义。（3）在M-SFLE实验中发现了三种发夹涡再生成机制并在数值模拟结果中得到了验证。A) 湍流边界层中发夹涡包之间相互碰撞，引起的展向不稳定剪切导致新发夹涡生成；B) 母发夹涡诱导子发夹涡生成；C) 发夹涡包中的发夹涡相互诱导发生合并，形成新的发夹涡结构，涡合并行为对湍流的发展有维持和推动作用。（4）基于M-PIV湍流流场验证了基于母子发夹涡机制的湍流自维持理论。母发夹涡成长到一定程度会诱导生成子发夹涡，子发夹涡从母发夹涡获得能量并且强度不断增大，母发夹涡不断衰减。年轻的发夹涡会继续发展诱导新的发夹涡的生成，循环往复而维持着湍流的发展。