高雷诺数壁湍流的研究进展及挑战

高雷诺数壁湍流(high Reynolds number wall-bounded turbulence,HRNWT)是目前湍流科学研究的一个热点也是一个难点,对其现象、规律及机制的认知不足,理论体系远未建立而且研究手段受到各种限制.本文基于对HRNWT主要研究手段的介绍,针对HRNWT中的湍流统计量、超大尺度结构(very large scale motions,VLSMs)的尺度和形态以及起源和影响及其与颗粒的相互作用,总结了HRNWT的研究现状和最新进展,特别梳理了近年来本文作者团队在HRNWT特别是高雷诺数颗粒两相壁湍流方面的研究成果,并对HRNWT的进一步研究给出了建议及展望.

浅谈流体力学发展——从Batchelor百年诞辰纪念大会谈起

G.K.Batchelor是20世纪国际流体力学大师,在均匀湍流理论和低雷诺数微流体力学领域做出了开创性的贡献,他对流动追求物理和定量性理解的思想影响了近百年流体力学的发展,是流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics的创刊人,也是剑桥大学应用数学与理论物理系(DAMTP)的创建者,培养并影响了一大批在流体动力学理论、实验流体力学、湍流及稳定性、环境流体力学、多相流体力学、磁流体力学、微纳米尺度流体动力学等诸多领域建树卓越的学者.本文以G.K.Batchelor诞辰100周年纪念活动为契机,简要回顾了流体力学近300年的发展历程.概述了流体力学发展历经的以数学和物理为基础建立理论框架的经典流体力学、以应用需求为导向促使自身跨越发展的近代流体力学和以学科融合为特点外延丰富的现代流体力学三个重要阶段;以师承关系、代表性学者及其主要学术贡献为线索,总结了现代流体力学四大学派的形成及其近百年的传承沿革;以历史和发展的视角浅谈当代流体力学发展的动力和趋势,并以风沙环境力学为例,简述流体力学为分支学科发展提供的支撑和引领作用,分支学科的需求为流体力学内生发展提供驱动力的螺旋生长关系;最后是对未来流体力学发展进步和创新的展望.

基于本征正交分解的水平轴风力机非定常尾迹特性分析

风力机的尾流效应对下游风力机的气动性能和疲劳载荷均有重要影响。为了研究叶尖速比对水平轴风力机非定常尾迹特性的影响,该研究在中性大气条件下采用基于致动线模型的大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)方法对不同叶尖速比下运行的风力机进行了数值模拟,并采用本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)方法对风力机尾迹结构进行了分析。结果表明,叶尖速比对风力机下游12D(D为风轮直径)范围内速度分布有显著影响,随着流向距离的增加,叶尖速比的影响逐渐减弱;风轮尾迹中2D处的速度亏损最大,在下游28.5D附近速度完全恢复;叶尖速比对风力机尾迹湍流强度有很大影响,叶尖速比为2时尾流湍流强度最弱,而叶尖速比为3时尾流湍流强度最大,说明该叶尖速比下尾流与大气边界层掺混作用剧烈,有利于尾迹速度恢复;叶尖速比对风力机尾迹结构的尺度和含能大小有显著影响,叶尖速比为3时尾迹中的大尺度结构及其含能占比最高,随着POD模态阶数的增加,尾流结构尺度和含能逐渐减小;风力机尾迹结构由反向旋转的高、低速涡对组成,其垂向尺度可达到整个边界层厚度,而风力机风能吸收利用效率主要体现在尾迹展向湍涡结构的尺度。该研究可为深入理解叶尖速比对风力机尾迹平均统计特征及结构演化的影响提供依据,为风力机优化设计和运行策略制定提供帮助。

风沙两相流数值模拟研究进展

大气表面层中的风沙运动是典型的高雷诺数湍流气固两相流动,同时具有可蚀地表上的冲击溅起过程、风-沙-电多场耦合、多尺度与跨尺度等复杂特性,使其定量预测极具挑战性。回顾了近30年风沙运动数值模拟的研究进展以及取得的成果,主要包括基于湍流雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法的风沙运动多场耦合模拟与风成地貌耦合尺度模型建立,基于湍流大涡模拟(LES)与高雷诺数湍流理论的风沙运动模拟方法。最后明确了风沙运动现有数值模拟方法的不足和值得进一步研究的方向。