自由剪切流中相干结构的非线性动力学

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1、天津大学硕士学位论文自由剪切流中相干结构的非线性动力学NonlinearDynamicsofLarge-scaleCoherentStructuresinFreeShearLayers一级学科：力学学科专业：流体力学作者姓名：庄秀玲指导教师：吴雪松教授天津大学机械工程学院二零一四年十二月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作

2、了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据中文摘要众所周知，充分发展的湍流自由剪切层，如混合层、尾迹流、平面和轴对称射流，会呈现以大尺度相干结构为特征的、高度有序的特性。最典型的相干结构是展向

3、涡，它们在动量、热流输运，反应物的混合以及噪音的产生等过程中起重要作用。大量的实验研究表明，这样的有序运动与无粘不稳定波具有许多相似之处，而且其主要特性，如尺度大小，传播速度和在剪切方向的分布等，可以由平均流剖面的无粘线性不稳定性理论得到较好的预测。本文推导出了能够描述湍流混合层中相干结构的非线性动力学的数学模型，其理论基础是关于层流不稳定性的非线性非平衡性临界层理论，在将此理论应用到湍流情形时，还考虑了以下物理因素:（1）由湍流剪切流的厚度在流向的快速增长导致的强非平行性；（2）湍流中小尺度脉动对相干结构的影响。结合以上因素和非线性，会得到一个新的、有趣的演化系统，该系

4、统是由耦合的幅值和涡量演化方程组成，其中非平行性除了改变增长率外，还会引起所谓的临界层漂移效应。数值计算结果清晰地显示了涡的卷起过程，这是湍流混合层的主要特性，同时本文也得到了相干结构的幅值演化，并研究了不同参数，如粘性、相位滞后、剪切层厚度增长率和临界层位置的漂移，对幅值演化的影响。最后将计算结果与实验数据进行对比，发现非平行性非线性临界层理论能够定性地描述相干结构幅值的演化特征：在线性增长阶段能够定量吻合，在非线性阶段能定性相符。关键词：自由剪切流；相干结构；非平行性；临界层理论；非线性；不稳定性I万方数据AbstractItiswellknownthatfullyd

5、evelopedturbulentfreeshearlayers,suchasmixinglayer,wakeand(planeandcircular)jet,exhibitahighdegreeoforder,characterizedbylarge-scalecoherentstructures,i.e.spanwisevortexrollers.Suchorganizedmotionsplayanimportantroleinmomentumandheattransport,entrainmentandmixingofspeciesandgenerationofno

6、ise.Extensiveexperimentalinvestigationsshowthatcoherentstructuresbearremarkableresemblancetoinviscidinstabilitywaves,andtheirmaincharacteristics,includingthelengthscales,propagationspeedsandtransversestructure,arereasonablywellpredictedbyinviscidlinearstabilityanalysisofthemeanflow.Inthis

7、thesis,wepresentamathematicaltheorytodescribethenonlineardynamicsofcoherentstructuresinaturbulentmixinglayer.Thetheoryisadaptedfromthenonlinearnon-equilibriumcritical-layerapproachforlaminar-flowinstabilitiesbyaccountingfor(a)theenhancednon-parallelismassociatedwith