工学院力学与工程科学系陶建军课题组关于槽流
来源:曼城网 发表于2019-08-17 20:48:36 编辑:张楠
摘要: Physics of Fluids最近刊发了工学院力学与工程科学系、湍流与杂乱体系国家重点试验室陶建军课题组的论文Turbulent bands in plane-Poiseuille flow at moderate Reynolds nu

Physics of Fluids最近刊发了工学院力学与工程科学系、湍流与杂乱体系国家重点试验室陶建军课题组的论文“Turbulent bands in plane-Poiseuille flow at moderate Reynolds numbers”(27,0417022,2019),报导了他们在槽流亚临界转捩研讨上获得的最新效果。

活动的层流态与湍流态的动量、能量输运特性有很大不同。人们至今仍难以精确猜测粘性剪切流从层流向湍流亚临界转捩的方位和临界参数,其间的首要困难在于该转捩进程对外部有限幅值扰动有很强的依赖性。这种不确定性给人们的飞行器、发动机及化学反应器的优化规划造成了妨碍。存在亚临界转捩的一种典型活动模型是plane-Poiseuille流(PPF),即两平行平板间的压力驱动流。

早在1928年Davies和White[1]就对槽流(PPF)的摩擦阻力系数进行了体系的试验丈量,但八十多年过去了,人们对其转捩机制的知道仍是十分不充分的,原因首要有以下两方面。首要,为防止展向鸿沟的影响以及研讨扰动流向演化的需求,流场的展向和流向标准都要很大,这对流场的丈量技能和数值模仿的规划均提出了很高的要求;其次,前期的活动显现试验发现部分扰动(如吹吸)能够在雷诺数Re大于1000时发生湍斑(spot)。受此影响,随后的研讨多聚集在较高雷诺数(Re 1000)时的湍斑上,然后疏忽了一个关键问题:人工(吹吸)扰动并不是激起转捩最有用的扰动方式。

陶建军课题组与瑞典KTH的Linné流体中心协作,对压力驱动槽流的转捩进程在大核算域进步行了体系的数值模仿。核算在国家天津超算中心的银河-1(A)进步行。通过近三年的尽力,得到如下效果。

图1.(a)扰动流场的动能演化;(b)湍流带的开裂(c)湍流带的歪斜伸长。插图是作为初始扰动的湍流带“种子”。图中显现了法向速度的等值线以及均匀场在x-z面内的矢量图。

(1)槽流亚临界转捩进程的特征结构不是湍斑而是斜的湍流带,其间心处为小标准涡结构,外面围以大标准的环流。湍斑要么衰减掉要么演变为湍流带,因而其寿数比湍流带小得多。湍流带的计算特性,如流向长度、展向长度、对流速度、倾角与初始扰动无关,并且是流场自发挑选的相干结构,因而是最有用的扰动方式。

(2)用矮小的湍流带作初始扰动的数值模仿发现,当Re 660时,湍流带通过瞬时的添加后会开裂、衰减掉;而当Re≥665且没有与其他部分相干结构(如湍斑)相互作用时,湍流带能够一向歪斜伸长(图1c)。该现象解说了Davies和White的一个试验效果:他们测得的摩阻系数在Re 667后开端逐步违背层流解。

(3)包含多条湍流带的多组数值试验数据的计算分析发现,湍流带之间的相互作用可导致其开裂、衰减,即便在Re=930时仍可能使流场再层流化。流态戏剧性的改变归功于一种新的湍流扩展机制-湍流带割裂(band split)的呈现。跟着雷诺数的添加,虽然湍流带的开裂仍时有发生,但越来越频频的湍流带割裂带来了越来越多的子湍流带。在Re大于1000后,部分湍流的两种扩展机制(歪斜伸长和割裂)总算在同衰减机制(割裂)的竞赛中占优,然后获得了真实能自保持的部分湍流。

图2. 相同的湍流带在不同雷诺数时的时空演化。红圈标识出了湍流带割裂(band split)的方位。

这部分效果在Physics of Fluids作为Letter宣布[2],榜首作者为力学系博士生熊向明,协作者包含陈十一教授和KTH的Brandt教授。该项目得到国家杰出青年基金和基金委立异研讨集体的赞助。亚临界转捩后期的效果现在收拾待投。

[1] S. J. Davies C. M. White, An experimental study of the flow of water in pipes of rectangular section, Proc. R. Soc. A 119, 92-107(1928).

[2] X. Xiong, J. Tao, S.Y. Chen, L. Brandt, Turbulent bands in plane-Poiseuille flow at moderate Reynolds numbers, Phys. Fluids 27, 041702(2019).

修改:江南

 

工学院力学与工程科学系陶建军课题组关于槽流亚临界转捩的研讨获得新进展

 

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