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我院在湍流涡结构识别方法方面取得重要进展
(来源:航空宇航学院 作者:张金凤 编辑: 点击:213 发表时间:2018-11-05)
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近日,南京航空航天大学航空宇航学院非定常空气动力学与流动控制工业和信息化部重点实验室田书玲老师在湍流涡结构识别方法研究方面取得了较大进展,相关成果发表在流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics上。该期刊在传统流体力学领域中国际排名第一,由剑桥大学出版社出版,影响因子为2.893,文章链接见:https://doi.org/10.1017/jfm.2018.406

流体的漩涡运动在自然界中普遍存在,例如大气中的台风和龙卷风,飞机绕流流场中的翼尖涡,特别是在湍流流动中,漩涡作为其“肌腱”,是人们研究湍流相干结构的重要对象。然而,如何定量地识别漩涡结构在流体力学研究中还是一个开放的课题。过去,人们常把涡量(速度的旋度)集中的地方当作漩涡区域,这在例如龙卷风模型的漩涡结构中有其合理性,但在湍流中,存在大量反例,即涡量在漩涡内部反而减小。为此,国内外在漩涡结构识别方面开展了大量研究工作,提出了多种识别方法,例如Q-准则、-准则、-准则以及Ω-准则等。这些方法是都是基于标量进行涡区域定义的,用等值面面进行涡结构显示的,然而,漩涡运动作为流体运动的一种形式,不但具有强度大小,而且具有方向性,如何构造矢量描述漩涡运动具有重要理论意义和应用价值。

田书玲老师文章从分析流体微团转动运动出发,提出了局部流体转动轴的概念,并给出了当局部流体转轴与局部坐标轴平行时速度梯度张量所满足的条件;在确定局部流体转动轴的基础上,根据垂直于转轴平面内速度梯度张量定义了流体转动角速度大小;最后,利用转轴方向和转到角速度大小定义了一个新的矢量。文章通过不同算例对该矢量在漩涡结构识别能力上进行了考核验证,表明它不仅能够地识别出复杂涡结构,而且能精确给出涡结构矢量线(不同于用涡量定义的涡线),该方法对研究涡结构内流动参数变化规律、追踪流场中旋涡结构的生成、发展演化过程以及研究湍流生成和维持机理等具有潜在意义。

 

1 边界层转捩中的发卡涡包结构

 

 

2 边界层转捩过程中的涡结构演化过程

   

3 微型涡量发生器产生的涡环结构


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