拉格朗日湍流结构特性及其对输运扩散影响的实验研究

The mechanism of generation, development, evolution, decay and extinction of turbulent structures are the basis for the development and maintenance of turbulence, and it is also the long plagued key problem for many engineering and technology.The experimental research on the characteristics of Lagrange turbulent structure and its influence on the transport, mixture and diffusion is of great significance to promote the progress of turbulence fundmental research，solve many engineering difficult problems, and promote the progress of science and technology. In this proposal, the typical shear turbulence (wall-bounded turbulence, turbulent thermal convection, turbulent mixing layer, quasi two dimensional turbulence, real turbulence in the marine and atmosphere) is taken as the research object. Experimental measurement, combined with the satellite remote sensing data, and the necessary numerical calculation, the theoretical analysis, is the main research method to solve the following key science problems: (1)Topological identification and the dynamics of evolution and migration of Lagrange turbulence structures; (2)The influence of Lagrange structure on the statistical characteristics such as turbulent energy cascade and intermittency; (3)Multi-scale decomposition method of Lagrange structures in turbulent flow and the interaction of different scales and types of Lagrange structures, and its effect on the transport, mixture and dispersion processes ; (4)To develop large data mining and processing technique for Lagrange turbulence structure analysis; (5) To explore the active/passive control technology of Lagrange turbulent structure; (6)the influence of shear effect on the rotation of non spherical particles;

湍流结构的产生、发展、演化、衰减、消亡的机理是湍流维持发展的基础，同时也是困扰众多工程技术的关键问题。开展拉格朗日湍流结构特性及其对输运混合扩散影响的实验研究对于推动湍流基础研究进展，解决众多工程技术难题，促进科学技术进步具有重要意义。本课题以典型剪切湍流（壁湍流，湍流热对流，湍流混合层，准二维湍流，海洋大气真实湍流）为研究对象，以实验为主要研究手段，结合卫星遥感数据，辅以必要的数值计算、理论分析，重点解决以下关键科学问题：1拉格朗日湍流结构的拓扑识别与迁移、发展演化的动力学；2拉格朗日结构对湍流能量级串间歇等统计特性的影响；3湍流拉格朗日结构的多尺度分解方法以及不同尺度、类型拉格朗日结构相互作用、对输运扩散混合过程的影响；4开发适用于拉格朗日湍流结构分析的大数据挖掘和处理技术；5探索拉格朗日结构的主被动调控技术；6剪切效应对非球形颗粒旋转的影响。

以典型剪切湍流为研究对象，以实验为主要研究手段，结合卫星遥感数据，辅以必要的数值计算、理论分析，重点对以下关键科学问题进行了研究：1在拉格朗日湍流结构的拓扑识别与迁移、发展演化的动力学方面，从拉格朗日角度出发，搭建了高时间分辨率移动跟踪式粒子图像测速系统，开展拉格朗日湍流结构的跟踪测量技术、拓扑识别与迁移、发展演化的动力学研究，揭示湍流边界层中拉格朗日相干结构的发展、演化的普遍规律。2在拉格朗日结构对湍流能量级串间歇等统计特性的影响方面，从湍流/非湍流界面的视角开展了壁湍流外区结构和间歇性的研究，提出了基于湍流/非湍流界面的湍流物理量三重分解方法。3在湍流拉格朗日结构的多尺度分解方法以及不同尺度、类型拉格朗日结构相互作用、对输运扩散混合过程的影响方面，开展了壁湍流偏斜因子中的交叉项事件与湍流大小尺度结构关系的研究和高、低速大尺度结构交界位置的外区结构空间关系的研究。4在开发适用于拉格朗日湍流结构分析的大数据挖掘和处理技术方面，开展了壁湍流拉格朗日结构的多尺度正交模态分析方法的研究，提出了一种基于Elman神经网络的非平稳湍流拟实时分解混合预测模型。5在探索拉格朗日结构的主被动调控技术方面，开展了壁面合成射流控制湍流边界层拉格朗日结构特性的实验研究，提出了微纳沟槽各向异性超疏水壁面高效湍流减阻技术。6在剪切效应对非球形颗粒旋转的影响方面，开展了颗粒两相流中颗粒与湍流结构的相互作用的研究。在项目资助下，发表研究论文144篇，其中期刊发表论文80篇，SCI收录58篇，学术会议交流论文64篇，其中国际学术会议论文13篇，国内学术会议论文51篇，大会邀请报告3篇。出版专著1部。出站博士后4人，毕业博士生12人，毕业硕士20人。成功举办第十一届全国实验流体力学学术会议和第十二届全国流动显示学术会议。获得省部级自然科学二等奖1项，省部级科技进步二等奖1项。