分层流动中湍流结构和湍流逆梯度输运特性研究

【摘要】： 分层流动在地球物理学领域和工程实际中广泛存在，具有很强的应用背景。在分层和剪切两种因素同时存在时，惯性力和浮力的共同作用使得流动的湍流特性变得非常复杂，特别是流场中涡旋结构的形成和演化、湍流动量和标量的逆梯度输运特性等问题还有待于进一步深入的研究。本文在以往分层湍流混合和输运特性研究的基础上，采用实验、数值和理论研究相结合的方法对稳定分层剪切湍流中平均剪切和温度分层对湍流结构和湍流标量和动量的逆梯度输运特性的影响进行了分析研究。主要工作和结果如下： 第一部分，建立了分层湍流的实验装置，并进行了一系列分层湍流的实验研究，运用激光诱导荧光(LIF)流动显示技术和PIV流场测量，定性研究了剪切和分层对湍流混合和湍流结构的影响。实验结果表明：剪切促进湍流混合，分层抑制湍流混合；湍流结构主要集中在混合层内，对于没有分层的情况，湍流结构分布更为广泛，同时还发现了混合层内涡旋的拉伸、合并、扭曲和变形等复杂的流动现象，特别是发现了其中的旋转涡对和反旋转涡对以及对湍流输运起重要作用的手指状结构。 第二部分，采用大涡模拟方法研究了间断的稳定分层湍流，主要对其中的湍流混合、湍流结构、湍流统计特性和湍流逆梯度输运特性等进行了分析研究。结果表明：①流场特性：流向湍流脉动强度远远大于垂向湍流脉动强度；分层加快了湍流脉动的衰减；定量研究了混合层因剪切而向速度较小一侧的偏移；浮力尺度是先增加然后趋于稳定值，剪切越强，浮力尺度越大；湍流尺度沿流向逐渐增大，剪切越强浮力尺度越大；统计特性的分析发现在较大的区域内温度脉动的平坦因子都偏离高斯分布，温度脉动的统计特性与速度脉动的统计特性有较明显差别，还有其本身扩散等因素的影响。②结构特性：混合层内有剧烈的涡运动，在混合层由上下两个旋转方向相反的涡带组成；分层导致流场出现明显的各向异性特征；混合层附近标量场呈现分阶段演化，分层强度增加，界面附近的小尺度标量结构减少；剪切使得混合层附近标量场的结构呈现倾斜形状。③逆梯度输运特性：流动混合层的中心区几乎没有动量的CGT发生，但在偏离中心区(约为-2＜y/M＜-1)的区域发现了湍流动量的逆梯度输运(x/M=48处)。温度的垂向逆梯度输运只出现在格栅下游流向位置x/M＜10的区域。 第三部分，采用Hilbert-Huang变换分析方法对稳定分层湍流的速度和温度时间序列进行了分析，主要考察了分层湍流的间歇性、湍流结构、Hilbert谱以及动量和标量的逆梯度输运问题。结果表明：①小尺度运动具有更强的间歇性，除了少部分模态上是服从高斯分布之外，在大部分模态上偏离高斯分布；随着流动向下游的演化，速度的强间歇性越来越弱，但间歇性在各个模态上的分布越来越广泛；存在分层时流场的间歇性明显增强，特别是在小尺度上表现得更加明显。②流向相干结构的平均时间尺度和垂向的时间尺度有所不同，说明了分层湍流流向和垂向运动的性质呈现各向异性特征；相干结构在流动中起到主导控制作用；随着流动向下游的发展，分层使得能量向更多的模态上分配。③Hilbert谱的结果显示对于速度脉动能量大部分都集中在低频，结合相干结构部分的分析可知，能量包含在大尺度的相干结构当中；脉动温度的结果则显示其能量大部分集中在高频。④虽然动量和标量在各个模态上的局部输运有正有负，但整体的输运为各个模态上的局部输运的综合，对标量输运起主要贡献的模态与相干结构的主要模态基本一致。 第四部分，通过大涡模拟和关联分析对稳定线性分层湍流的逆梯度输运特性进行了预测。发现随着梯度Ri数的增大，垂向湍流热量的输运减弱，当分层比较强时，湍流的热量会出现逆梯度输运现象；通过对稳定线性分层湍流的关联分析，验证了强分层对垂向热量输运的抑制作用，并找到了对垂向热量输运起主要贡献的波数范围和不同温度梯度下对湍流热量逆梯度输运起主要贡献的最大尺度结构对应的波数，特别发现分层越强，对湍流热量逆梯度输运起主要贡献的结构的最大尺度越小。