第三代涡识别方法及其应用综述

根据Liu等的划分,涡识别方法的发展可以分为三代。第一代方法基于涡量,并将Cauchy-Stokes分解得到的速度梯度张量反对称部分(涡量张量)视为旋转。然而众多研究人员已发现涡量与涡的关联性并不是很高。为了克服第一代方法的缺陷,以Q、l_2、D和l_(ci)等方法为代表的第二代涡识别方法应运而生。但是第二代方法在实际使用中依赖于与具体算例相关的阈值并且会被剪切影响。为了解决阈值问题,2016年发展起来的■方法将涡定为涡量大于变形的联通区域并以相对值表示。而2017年和2018年发展起来的Liutex向量则提供了一个系统化数学化的流体局部刚体转动定义,包括局部旋转轴和转动强度,■方法,Liutex向量及一系列有关方法被定义为第三代涡识别方法。该文回顾了三代涡识别方法的发展历程,系统讨论了如何精确地从流体运动中分解得到刚性旋转部分,重点介绍由美国德州大学阿灵顿分校刘超群教授及其团队主导的第三代涡识别方法所取得的突破及其应用。主要突破包括:①■涡识别方法克服了传统涡识别方法需要针对具体流动调整阈值的问题,并能同时捕捉到强涡和弱涡;②基于Liutex的思想,能够严格获得流体运动的局部刚性旋转部分,包括标量、矢量和张量形式;③第三代方法能够合理地回答涡的六大要素问题,即涡的绝对强度、相对强度、当地旋转轴、涡核中心、涡核大小和涡边界,而前两代方法则无法处理。该文详细介绍了第三代方法的六个具体应用,其结果表明:①在涡识别方面,第三代方法大大优于前两代方法;②第三代方法不仅是涡识别和显示的后处理方法,而且是精确表示涡的物理量;③第三代方法能够定量化地表示涡的特性(六大要素)。Liutex作为一个新生的物理量,有方向有大小。Liutex的方向就是当地涡线和涡强度(此处区别于第一代涡量线和涡量强度的定义)等值面法线的方向,其大小准确代表当地旋转角速度(涡的绝对强度),且在当地非零Liutex方向上仅有瞬时的拉压形变,流体旋转均发生在与Liutex方向垂直的平面内。在等值面缩小变为一条线的地方,它就是涡核中心。它唯一代表涡核,唯一代表湍流的涡结构,与阈值完全无关。更重要的是它准确代表一个力,代表湍流产生的原动力,直接影响湍流生成。Liutex和其他第三代涡识别方法的发现代表湍流研究的一个崭新时代的来临,它开启了湍流研究的新纪元。