周培源湍流理论概述

2022年是周培源先生（1902年8月28日—1993年11月24日）诞辰120周年,为怀念一代宗师,本文对周先生长达半个多世纪的湍流研究历程以及建立的湍流理论进行了概述,内容包括湍流“前模式理论”,涡旋结构的湍流统计理论,相似性理论和逐级逼近方法,最后就周先生对湍流研究做出的贡献进行了总结。

     

旋涡结构的湍流统计理论

旋涡结构的湍流统计理论是已故周培源教授在20世纪50年代率先提出来的.经过他和他的学生近半个世纪的努力,已经形成具有自身特色的湍流统计理论.在纪念周培源教授诞辰100周年的时候,特贡献本文作为对一代宗师的怀念.本文是这个理论的一个总结和概括,其中包括:作为湍流元的旋涡结构解的寻找,可能存在的不同旋涡结构解的类别和叠加,统计平均方法的选取和操作,统计平均物理量的规律的探索等.      

THE RENORMALIZATION-GROUP ANALYSIS FOR THE STATISTICAL PROPERTIES OF RAPIDLY ROTATING TURBULENCE

利用重正化群方法对强旋转湍流场统计性质予以研究, 通过重正化微扰展开, 对高波数速度分量进行逐 阶平均.计算结果显示当旋转角速度Ω → ∞时, 用以表征高波数速度分量对低波数速度分量影响的重正化黏性将趋于0, 这表明在强旋转条件下科氏力将抑制湍流速度分量之间的非线性相互作用, 从而阻碍湍流的能量级串效应, 当Ω → ∞时湍流的能量级串效应消失, 导致湍流脉动消失, 流动将层流化.理论计算结果还显示对于强旋转湍流, 时域-空域联立Fourier的湍流速度分量存在二维化趋势, 球面平均能谱函数有标度关系E(k) ∝ k^-3.     

剪切湍流的涡黏张量模式

对剪切湍流提出了涡黏系数为四阶张量的涡黏张量模式。引入近代数学中Ｍｏｏｒｅ－Ｐｅｎｒｏｓｅ广义逆矩阵的研究结果，给出了构造涡黏张量各分量的计算公式。用平面后台阶流动验算了剪切湍流的涡黏张量模式，比ＲＳＭ和ｋ－ε模式更接近实验结果。提出了剪切湍流涡黏张量模式的应用设想。     

A PRESSURE-CORRECTION METHOD FOR THE SOLUTION OF INCOMPRESSIBLE VISCOUS FLOWS ON UNSTRUCTURED GRIDS

An unstructured grid, finite volume method is presented for the solution of two-dimensional viscous, incompressible flow. The method is based on the pressure-correction concept implemented on a semi-staggered grid. The computational procedure can handle cells of arbitrary shape, although solutions presented herein have been obtained only with meshes of triangular and quadrilateral cells. The discretization of the momentum equations is effected on dual cells surrounding the vertices of primary cells, while the pressure-correction equation applies to the primary-cell centroids and represents the conservation of mass across the primary cells. A special interpolation scheme s used to suppress pressure and velocity oscillations in cases where the semi-staggered arrangement does not ensure a sufficiently strong coupling between pressure and velocity to avoid such oscillations. Computational results presented for several viscous flows are shown to be in good agreement with analytical and experimental data reported in the open literature.     

双参数地基板振动的中值定理

本文提出并证明了双参数地其板振动的中值定理。Ｇｐ＝０，Ｇｐ＝ｋ＝０就分别得到Ｗｉｎｋｌｅｒ地基板和一般弹性薄板振动的中值定理。如果ω＝０，ω＝Ｇｐ＝０，ωＧｐ＝ｋ＝０就分别得到双参数地基板，Ｗｉｎｋｌｅｒ地基板和一般弹性薄板的中值定理。     

基于降维积分的结构系统可靠性分析研究

复杂结构系统一般具有多个失效模式. 传统系统可靠性分析模型是在假设各失效模式相互独立的条件下建立的. 而在工程实际问题中,由于结构系统的组成单元之间紧密联系,系统的失效模式大多是相互耦合的. 简单地在失效模式相互独立的假设条件下进行系统可靠性分析与评价常常会导致过大的误差,甚至得出错误的结论. 提出一种相关失效模式结构系统可靠性分析方法. 利用降维法和Gauss-Hermite数值积分技术计算随机参数结构系统极限状态函数的统计矩,采用极限状态函数的前四阶累积量拟合其累积量生成函数,通过鞍点逼近方法拟合结构系统极限状态函数的概率密度函数和累积分布函数,进而获取结构系统的可靠度(或失效概率).数值算例表明该方法具有较高的计算精度和效率,通用性强.     

对打击运动微分方程一些推导方法的探讨

本文在提示推导打击运动微分方程常用的“积分－极限”方法的力学意义的基础上，对这个方法应用于非线性非完整系统时的一些做法提出探讨。     

扁球面网壳的混沌运动研究

在圆形三向网架非线性动力学基本方程的基础上,用拟壳法给出了圆底扁球面三向网壳的非线性动力学基本方程．在固定边界条件下,引入了异于等厚度壳的无量纲量,对基本方程和边界条件进行无量纲化,通过Galerkin作用得到了一个含二次、三次的非线性动力学方程．为求Melnikov函数,对一类非线性动力系统的自由振动方程进行了求解,得到了此类问题的准确解．在无激励情况下,讨论了稳定性问题．在外激励情况下,通过求Melnikov函数,给出了可能发生混沌运动的条件．通过数字仿真绘出了平面相图,证实了混沌运动的存在．     

粘性流体动力学有限元变分原理

本文把建立有限元变分原理的一种新方法“N>2直接方法”从固体力学推广到流体力学,并用该方法把粘性流体动力学的广义功率消耗原理和广义变分原理发展成为有限元变分原理。还在论证中发现,相邻有限元交界面上的应力协调条件会自然地满足而无需引进任何拉民乘子。本文还建立了混合杂交非协调元的变分原理和广义变分原理,它解除了全部协调性约束条件和其它的边界性约束条件,但是并不增加待定的拉氏乘子,因此使有限元计算得到简化。本文结果可以作为粘性流体动力学有限元计算的基础定理。