湍流最高激发态的局部结构及其绝对标度律

通过对湍流层次结构模型中提出的最高激发态的进一步研究发现，最高激发态 存在绝对标度律，且该绝对标度律是由信号中最强耗散涨落的局部结构产生的，并由此推测 出局部强间歇结构一般具有绝对标度的结论.     

壁湍流边界层奇异标度律的实验研究

采用热线风速仪对平板湍流边界层的流向速度进行测量,用速度结构函数研究不同尺度结构标度律的变化规律,结果显示小尺度区的概率密度曲线尾部明显偏离高斯型,说明高幅值间歇性事件占的份额较多;惯性子区的曲线向高斯型靠近,间歇性事件所占份额减少;大尺度结构的曲线趋于高斯型,间歇性事件所占份额最小。在耗散区、惯性子区和较大的尺度结构区存在大小不同的绝对标度指数,越靠近壁面这些区域的标度指数均越偏离p/3而逐渐变小。绝对标度指数与边界层位置有关,在缓冲层各阶标度指数与线性标度律偏差很大,显示较强的奇异性,当过渡到对数层及外区,标度指数逐渐增大,接近均匀各向同性湍流的状态。缓冲层、对数层及外区具有各异的绝对标度指数增长率,与各层的不同湍流结构特征和运动形式有关。     

可压缩各向同性衰减湍流直接数值模拟研究

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性 和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等. 研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大 尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量(压缩)耗散率所占比率也显著增长. 标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高(p ≥ 5)时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立. 对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的 间歇性要强于横向湍流脉动.     

）IRECT NUMERICAL SIMULATION OF DECAYING COMPRESSIBLE ISOTROPIC TURBULENCE

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等.研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量（压缩）耗散率所占比率也显著增长.标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高（p≥5）时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立.对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的间歇性要强于横向湍流脉动.     

壁面湍流标度律的PIV实验研究

利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层内的自相似标度律在不同的壁面距离的具体表达形式进行了实验研究。在动量损失雷诺数（Reθ=2167）下测量平板湍流边界层内的二维瞬时速度场。应用小波分析和传统统计学方法,在垂直于平板的平面内,对不同法向位置的自相似的标度律的具体形式及其随尺度的变化情况进行考察,并与已知的She-leveque（简称SL）标度律进行比较分析。结果表明,越接近壁面,结构函数的概率密度曲线尾部越宽,表现出逐渐增强的间歇性;并且随着壁面距离的减小,ESS标度律曲线与SL标度律曲线之间的差别也就越大,而新形式标度律曲线则与SL标度律曲线的差别逐渐减小。在提取的结构尺度一样时,结构函数的标度指数随法向位置的不同变化不大,但是随着提取结构尺度的增加,两种形式的标度律适用的尺度范围也在逐渐增大。     

关于湍流标度律的争鸣

研究湍流结构函数的标度律。实验或数值模拟得到的湍流结构函数的标度指数是奇异的。很多学者认为:这一实验事实否定Kolmogorov1941年(K41)提出的正常标度律,各向同性湍流惯性区的标度律是奇异的。近年来作者发表一系列文章,提出不同的观点:由于有限雷诺数效应,有限雷诺数湍流的标度指数不等于真正的惯性区标度指数,湍流结构函数的标度指数的实验数据并不否定K41正常标度律,各向同性湍流惯性区的标度律可能是正常的。惯性区奇异标度律和正常标度律对应的湍流物理本质是完全不同的,因而研究解决这个争论具有重要的意义。      

用子波变换检测壁湍流信号局部标度指数

本文用子波变换检测了刻画壁湍流脉动信号自相似性的局部标度指数，研究了不同尺度的湍流结构的自相似性，发现在湍流边界层猝发过程中，喷射和扫掠发生时刻小尺度脉动速度信号的局部标度指数为负值，说明在大尺度猝发事件发生的时刻小尺度结构具有奇异的自相似性，在猝发过程中其作用不仅仅是对湍能的耗散．     

壁湍流相干结构尺度及边界层内的SL标度律

利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层中相干结构的多种空间尺度和边界层内SL 标度律在不同尺度下的具体表达形式进行了实验研究. 实验在两个动量损失厚度雷诺数 (Re_{\theta}=628.5和Re_{\theta}=1032.9)下测量平板湍流边界层中缓冲 层、对数区和外区的二维瞬时速度场. 应用 小波分析以及传统的统计学方法，在垂直于平板和平行于平板的平面内考察平板湍流边界层 中存在的相干结构的流向和展向尺度，并与已知的相干结构尺度实验结果进行了对比分析. 利用在动量损失厚度雷诺数628.5下测得的数据，对多种脉动结构(脉动速度结构等) 的空间关系及其标度律进行了研究. 第2项工作直接利用湍流边界层空间速度分布，对多种 流场尺度结构内部的She-Leveque(简称SL)标度律及自相似律进行了验证. 结果表明，各 单一流场尺度结构内部，流向脉动速度{\pmb u}'、法向脉动速度{\pmb v}'及 脉动涡分量\d {\pmb v}'/\d {\pmb x}的统计结构量均存在明显的标度律，标度 指数的形式与自相似律和SL标度律均非常吻合，只是常数随流场尺度的不同而不同， 且呈现一定的规律性. 但对于结构量的五阶矩随距离l的研究表明，自相似律和SL 标度律成立的范围并不完全一致，同时标度律成立的范围大小与流场尺度有明显关系.     

壁湍流扩展的自相似标度律的实验研究

对风洞中零压力梯度平板湍流边界层进行了实验研究，用热线风速仪测量了不同法向位置的脉动速度，研究了湍流边界层不同法向位置速度结构函数的扩展的自相似标度律。     

二维槽道湍流的标度律分析

对不同Reynolds数的二维不可压槽道湍流（即二维槽道流动的扰动饱和态）进行了标度律分析.指出二维槽道湍流中存在明显的标度律及扩展自相似性;分析了标度指数随着流动Reynolds数的变化,指出随着Reynolds数的增长,标度指数的奇异性并没有减小的趋势;由此推测充分发展的二维槽道湍流的标度指数也是奇异的、将所得计算值和余振苏等人的SL标度律预测值相比较,认为余等人的SL标度律公式能很好描述二维湍流.     

EXPERIMENTAL STUDY OF MEASUREMENT FOR DISSIPATION RATE SCALING EXPONENT IN HEATED WALL TURBULENCE

Experimental investigations have been devoted to the study of scaling law of coarse-grained dissipation rate structure function for velocity and temperature fluctuation of non-isotropic and inhomogeneous turbulent flows at moderate Reynolds number. Much attention has been paid to the case of turbulent boundary layer, which is typically the non-istropic and inhomogeneous trubulence because of the dynamically important existence of organized coherent structure burst process in the near wall region . Longitudinal velocity and temperature have been measured at different vertical positions in turbulent boundary layer over a heated and unheated flat plate in a wind tunnel using hot wire anemometer. The influence of non-isotropy and inhomogeneity and heating the wall on the scaling law of the dissipation rate structure function is studied because of the existence of organized coherent structure burst process in the near wall region . The scaling law of coarse-grained dissipation rate structure function is foun     

Extended self-similar scaling law of multi-scale eddy structure in wall turbulence

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＭｕｃｈｗｏｒｋｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｏｔｅｄｉｎｔｈｅｌａｓｔｆｅｗｄｅｃａｄｅｓｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｓｃａｌｉｎｇｌａｗｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｓ.Ｔｈｅｓｏ＿ｃａｌｌｅｄ“ｖｅｌｏｃｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｏｒｄｅｒｎ”ｆｏｒｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｓｉｓｄｅｆｉｎｅｄａｓ〈ΔＶ(ｒ) ｎ〉 ,ｗｈｅｒｅΔＶ(ｒ) =Ｖ(ｘ ｒ) -Ｖ(ｘ)ｉｓｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｍｐ…     

Lattice Boltzmann simulations of high-order statistics in isotropic turbulent flows

The lattice Boltzmann method (LBM) is coupled with the multiple-relaxation-time (MRT) collision model and the three-dimensional 19-discrete-velocity (D3Q19) model to resolve intermittent behaviors on small scales in isotropic turbulent flows. The high-order scaling exponents of the velocity structure functions, the probability distribution functions of Lagrangian accelerations, and the local energy dissipation rates are investigated. The self-similarity of the space-time velocity structure functions is explored using the extended self-similarity (ESS) method, which was originally developed for velocity spatial structure functions. The scaling exponents of spatial structure functions at up to ten orders are consistent with the experimental measurements and theoretical results, implying that the LBM can accurately resolve the intermittent behaviors. This validation provides a solid basis for using the LBM to study more complex processes that are sensitive to small scales in turbulent flows, such as the relative dispersion of pollutants and mesoscale structures of preferential concentration of heavy particles suspended in turbulent flows.     

Time frequency spectrum of atmospheric turbulence and sweeping hypothesis

The present study is focused on the structure of time frequency spectrum. A scaling law for Eulerian time frequency spectrum and the corresponding temporal structure function are calculated from the sweeping hypothesis and Kolmogorov's similarity law regarding spatial structure function. An experiment is designed to study this scaling law in the atmospheric turbulent boundary layer. The results well support the conclusion derived from relevant theoretical analysis.     

Dissipation of Turbulent Kinetic Energy in a Cylinder Wall Junction Flow

The subject of this study is the discussion of the dissipation of turbulent kinetic energy and its Reynolds number scaling in front of a wall-mounted cylinder. We employed highly resolved Large-Eddy Simulation and ensured that the computational grid was fine enough to resolve most of the scales. A perceptible fraction of the total dissipation is modeled. However, this fraction - about one third - is small enough so that the total dissipation suffers only marginally from some potential shortcomings of the turbulence model. Individual terms of the pseudo dissipation tensor and their Reynolds number scaling are discussed and compared. This tensor and thus the turbulent small scale structures are not isotropic at the Reynolds numbers investigated. Furthermore, the near-wall anisotropy under the horseshoe vortex is likely to persist to larger Reynolds numbers as it can be linked to a flapping of the near-wall layer. The turbulent length scale shows a strong spatial variability. In the region of the vortex system in the cylinder front, the distribution reveals a similar shape as the one of the turbulent kinetic energy and its amplitude is in the order of magnitude of the cylinder diameter. In contrast to the region dominated by the approach flow, the turbulent length scale is independent of the Reynolds number in the region dominated by the vortex system. Even though the flow investigated is in non-equilibrium, common a priori estimations and scalings of the Kolmogorov length scale based on macro scales give satisfying results.     

锥体效应对超音速湍流边界层统计特性的影响

通过直接数值模拟,计算了空间模式下,来流马赫数为2.5, 半锥角为$5^{\circ}$, 零攻角的绝热钝锥湍流边界层,研究了湍流的统计特性,并把结果与超音速平板湍流边界层和马赫数为6的高超音速钝锥湍流边界层的结果进行了比较,重点定量地考察了锥体效应对边界层湍流统计特性的影响. 研究发现,锥体效应对平均温度剖面以及压缩性的影响是显著的;而其它统计量,比如速度壁面律、雷诺应力的分布和湍动能各项的贡献等,受锥体效应的影响很小.      

一类平衡大气边界层边界条件研究

基于标准k-ε湍流模型,首先利用湍流粘度方程和剪切应力在整个边界层内恒定的假设,推导出一类耗散率表达式,并根据常用的湍动能入口剖面方程以及平均风速剖面方程,计算获得相应的耗散率方程;然后在输运方程中添加自定义源项,通过已经确定的平均速度方程、湍动能方程、耗散率方程计算得到相应输运方程的自定义源项表达式,并进行空风洞数值模拟,从而得到了一类满足平衡大气边界层的来流边界条件．通过将这种边界条件与由湍流平衡条件得到的边界条件进行比较,表明本方法获得的边界条件更适用．并且,本方法无需考虑修正壁面函数和修正湍流模型常数,因而计算更为简单,可为平衡大气边界层的研究提供一种新的思路．