混合层流场的特性及其大涡结构的研究力学进展.pdf

第27卷　第2期 力　学　进　展 . 27　 . 2 V o l N o 1997年5月25 日 ADVAN CES INM ECHAN ICS M ay25, 　1997 混合层流场的特性及其大涡结构的研究 林建忠　余钊圣　沈利平 浙江大学力学系流体传动及控制国家重点实验室, 杭州　310027 摘　要　对50年代以来尤其是近10年来有关混合层的研究成果, 特别是有关大涡拟序结构的成果 进行了综述, 为进一步开展混合层的研究提供参考. 关键词　混合层, 综述, 大涡结构, 稳定性, 统计理论 　前　言 图1为混合层流场, 对该流场的研究具有 理论和实际应用两方面的意义. 从理论上看, 该流动具有其它同类型流动, 如射流、尾流所 具有的基本特征, 通过研究混合层流动发展和 演变的过程, 能够了解自由剪切湍流的一些流 态和结构, 完善人们的认识. 就应用而言, 在 众多自然现象和工农业生产中都可见到该流动 图1　混合层流场 模型, 例如燃烧器、气体激光器等. 通过研究该流场的流动机制, 从而能够人为地对流场加以 控制和利用, 能提高该流动在实际应用中的效率和降低噪声. 研究混合层流场一般有两种途径, 一种是经典的统计理论, 它在早期用得较为普遍; 另 一种是拟序结构方法, 它在近20年来用得较多. 2　统计理论及其部分研究结果 经典的统计理论已经有一百多年的发展历史, 其基本点是将流动过程视为完全随机的, 用统计的办法将流场分解为平均和脉动两个部分进行求解. 将该方法用于研究混合层流场, 除 一般遇到的平均和脉动量组成的控制方程组不封闭这一困难外, 还有其它困难. 　 国家自然科学基金与浙江大学科学基金资助项目. 2·17 · 混合层的非各向同性, 使得统计理论不能像各向同性情况下那样解决众多的问题, 例如在脉动速度动力学方程中, 都包含两点间的相关函数和同一点两个不同时刻的相关函 数, 这些相关函数以及相应的谱函数是描述湍流结构的重要函数, 在各向同性湍流中, 这 两者可通过泰勒假设互相转换; 而在混合层中, 平均速度场的不均匀导致难以使用相关函 数和谱函数, 经常只得靠实验手段来获取有关资料. 因此, 人们在理论分析时, 常从流动的 物理特性出发, 对数学方程进行简化, 其中最基本的两个物理特性: ( 1) 混合层湍流区比较 狭窄, 各参量在主流方向的变化比在垂直方向上的变化缓慢得多; (2) 在离原点一定距离 后, 各截面的平均速度剖面存在相似性. 利用这两个特性, 可将微分方程简化求解, 得到流 场中所需的参量. Sato [ 1 ] 曾由统计理论提出了混合层的平均速度分布有相似的剖面. Pu i[ 2 ] 在5种速度比 的情况下, 测量了平均速度和湍流强度, 表明自由流湍流度的增加使混合层的增长率和雷 诺应力也增加. T akak i[ 3 ]