系统旋转对壁湍流相干结构的影响机制研究

Wall turbulence in rotating reference frame is a common flow phenomena in a variety of areas in geophysics, astrophysics and engineering.System rotation takes significant effects on wall turbulence through Coriolis force.Previous studies mainly concentrated on the statistical properties of wall turbulence rotating around the spanwise direction at low Reynolds number. Since coherent structures play key roles in wall turbulence production and sustain, and the practical rotating flows in engineering are mostly in turbulent state at high Reynolds number, therefore in the present proposal,the rotating turbulent channel flow at moderate high Reynolds number will be studied, the characteristics of coherent structures will be investigated, and the mechanism for Coriolis force influencing the dynamic evolution of coherent structures will be explored. The main research contents are: (1) direct numerical simulation of rotating turbulent channel flow; Because the practical rotating vector can be in arbitrary direction, besides rotating around spanwise direction, the streamwise and wall-normal rotating turbulent channel flow will also be simulated, respectively.(2)types and kinematic characters of coherent structures in rotating turbulent channel flow; (3)influence of coherent structures to turbulence statistics and turbulence transport; (4) mechanism for Coriolis force influencing the dynamic evolution of coherent structures and the reduced-order model. The presently proposed research could deepen our understanding of rotating wall turbulence, and provide useful knoweldge for constructing the turbulence closure models, and for accurately predicting and efficiently control rotating wall turbulence.

旋转参考系中的壁湍流流动是地球物理、天体物理和工程中常见的流动现象，系统旋转引起的柯氏力对壁湍流有重要影响。以往人们的研究主要集中在对中低雷诺数展向旋转壁湍流统计性质的研究上,由于相干结构在湍流的发生发展中起关键作用,并且工程中旋转流动大多处于高雷诺数湍流状态，因此本项目将以槽道湍流为对象，研究较高雷诺数时旋转槽道湍流中相干结构的性质及柯氏力对其作用的机理。主要研究内容为：（1）旋转槽道湍流直接数值模拟，由于实际流动问题旋转轴可以沿任意方向，因此除展向旋转外，还将分别对流向和法向旋转槽道湍流开展系统的数值模拟；（2）旋转槽道湍流中相干结构的类型及其运动学特性；（3）相干结构对旋转槽道湍流统计性质及输运性质的影响；（4）柯氏力对相干结构动力学演化的影响机制及降阶模型。通过本项目的研究，将加深对旋转壁湍流的了解，为构造旋转湍流封闭模式、更好地预测和控制旋转湍流打下基础。

旋转参考系中的壁湍流流动是地球物理、天体物理和工程中常见的流动现象，系统旋转引起的柯氏力对壁湍流有重要影响。由于相干结构在湍流的发生发展中起关键作用,因此本项目以槽道湍流为对象，研究旋转槽道湍流中相干结构的性质及柯氏力对其作用的机理。主要研究内容为：（1）对展向旋转、流向旋转、展向-流向组合旋转槽道湍流以及旋转方管湍流的直接数值模拟和大涡模拟，获得了关于雷诺数和旋转数的系列数据；（2）旋转槽道湍流中相干结构的类型及其运动学特性；（3）相干结构对旋转槽道湍流统计性质及输运性质的影响；（4）柯氏力对相干结构动力学演化的影响机制。获得的重要结果如下：（1）在展向旋转槽道湍流中，发现湍流在TG涡相对于压力面的上洗侧增强而在下洗侧减弱，通过分析涡量输运方程，发现TG涡引起的法向拉伸作用和科氏力带来的流向力矩效应是产生这一现象的原因。（2）在流向旋转槽道湍流中，采用条件统计方法提取了近壁准流向涡，表明了与槽道同向旋转的准流向涡被增强、反向旋转的准流向涡被抑制。提取了流场中沿流向拉长的大尺度涡结构，发现其中与槽道同向旋转的大尺度涡结构出现在上下半槽内且沿展向倾斜，而反向旋转的大尺度涡结构则出现在槽道中心区。施加旋转后，流向积分尺度在初期随时间线性增长且增长率与旋转数成正比，这与惯性波的线性传播相吻合。（3）在旋转方管湍流中，得到了二次流形态随旋转数演变的完整过程，重点考察了压力面上附加涡的出现和消失，发现其再附点位置和涡的大小分别与压力面上压力极大值点的位置和展向压力梯度直接相关。通过分析平均动量方程发现压力极大值的形成是由向角域的倾斜流动和侧壁附近正的科氏力导致。通过本项目的研究，加深了对旋转壁湍流的了解，为构造旋转湍流封闭模式、更好地预测和控制旋转湍流打下了基础。