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壁湍流产生中类孤立波的作用机理
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2018
  • 中图分类:
    O357.5
  • 关键词:
  • 成果简介:
    该项目属于力学学科中的流体力学领域。 湍流是经典物理学最后的问题。湍流是高雷诺数流动的基本特征,也是自然界和工程流动的普遍形态。湍流的研究分为两个方面,湍流的产生和湍流的发展。研究近壁湍流的产生,即转捩,是湍流产生研究中的重要研究对象,一百多年来一直是湍流研究中最活跃、最困难的课题之一。该项目针对这一世纪难题,进行了原始创新研究,在湍流产生的动力学方向取得了重要突破。主要成果如下: 一)发现了类孤立波及Λ-涡产生的基本物理过程。Λ-涡是转捩边界层中最重要的流动结构,其产生机理国际上一直接受Theodorsen于1952年提出的假设。该项目系统的开展了自然转捩和K-型转捩的实验研究,获得了湍流场的流动显示和热线测量结果。揭示了Λ-涡这一转捩过程中最重要的流动结构其产生的新物理过程和新的产生机理,发现了Λ-涡结构产生之前存在三维线性波即类孤立波,该三维波会进一步发展成为非线性波,并进一步与流场相互作用产生Λ-涡。项目还发现了不同转捩路径都存在类孤立波,这种类孤立波是由两个斜波的相互作用产生的。 二)建立了转捩过程中,流动从低频到高频的动力学过程。转捩中核心问题之一是流动结构怎么从大尺度变成小尺度,或者说流动是如何从低频结构演化出高频结构的。该项目通过实验研究,发现了类孤立波的射流效应,并运用涡动力学理论揭示了其产生二次涡环的机理和相应的动力学过程;实验发现二次涡环和Λ-涡相互作用会产生涡环链,涡环链就是小尺度旋涡也即高频流动结构。项目利用涡动力学理论,给出了涡环链产生的实验证据和新的产生机理。 三)发现了湍流猝发和类孤立波之间的直接关系,建立了壁湍流产生的一般物理框架。长期以来,湍流猝发被公认为是湍流产生的一般性物理过程,发生在低速条带区域。但猝发到底是谁的行为,一直不被关注。该项目通过实验发现了猝发是类孤立波的行为,发现了低速条带是由若干类孤立波组成的,以及类孤立波存在于所有的近壁流动中,因而建立了壁湍流产生的一般物理框架。 该项目基于一系列实验发现和涡动力学理论建立的物理框架已被中、美、英、新加坡、印度、日本等多国学者广泛引用,用于验证他们的计算模型和计算结果。国际著名流体力学家Gad-el-Hak邀请完成人李存标和吴介之在Applied Mech.Rev.期刊发表评论文章,全面系统地总结了项目组在这一世纪难题中的贡献。他也邀请项目完成人李存标在其编辑的“Transition and Turbulent Control”一书中撰写Dynamics of Transitional Boundary Layer一章,并在前言中写到:被邀请撰写该书的专家都是该领域世界上的顶尖学者。印度学者认为该项目在不同来流扰动条件下发现了相似的流动本质。杨卫院士在中国力学60年大会报告上将“在壁湍流转捩中发现非线性波、二次涡环等关键结构和相关动力学过程,并发展了一些列近壁测量方法”总结为近10年力学重大成就之一。项目8篇代表论文他引519次,SCI他引312次,做国际会议和组织邀请报告25次,承办国际会议并任主席5次。
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