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1、00第卷第期力学进展&./∋10,!!年∀月#日∃%&∃∋()∗+∋,)(−∃∋+(∗∃23#!!湍流转披模式研究进展’符松4王亮清华大学航,5!!!∀6天航空学院北京摘要以湍流模式理论为基础发展起来的湍流转抉模式是一种十分重要的转挨预测方法0本文对转挨模式的研究进行了回顾0首先,探讨了以低雷诺数湍流模式理论研究转缺问题的局限性,此类模式中,用来模拟猫性层次的阻尼函数经过修正之后,具有一定的转缺预测能力0但也有观点认为这只是一种数值上的巧合而已0其次,指出了考虑间歇性的模式所存在的问题0此类模式通过各种方式将间歇因子与湍流模式进行祸合,在一定程度上考
2、虑了转扳的物理机制,可较好地模拟简单流动中的转挟过程0但其中所包含的非局部变量使其与现代7%(方法并不协调一致0接着,分析了完全由局部变量构造的新型转披模式,其中涉及了关于非湍流脉动动能等转挨特征变量的新型输运方程0最后,对此领域的发展方向进行了预测0关扭词转校,濡流模式,间歇因子,边界层,5引言大量实验将转挟的起始位置与来流湍流度和压力梯0而事实上,度等参数联系起来转抉的发展不只依赖长期以来,层流向湍流的转挟一直是流体力学中于来流条件和物面条件,更受到流场结构的影响0由,,最重要的前沿问题之一从理论研究角度来说转披于经验近似方法完全不考虑转挟的内在物理机制过程是经
3、典物理学遗留的最具挑战性的问题,它是从它只能大致判断出转抉的起始位置0,基与之相对0从应于稳定性理论的方法通过对平均流场的分析,计算简单分层稳定状态到复杂混沌湍流状态的过渡用角度来说,转披过程是许多机械装置内部及其表面层流中扰动的发展0然而,典型的扰动方程抛物化法,流动中最重要的过程若能对转抉进行可靠的预测及ΕΦΜΦ.1/=Χ>ΛΓ4Φ.>Ν2Φ4=1?,8=/=4ΔΕΓ):和线性稳定性,0控制就可大幅度提高这些装置的性能和效率理论8/=?>ΦΜΓ4Φ.=/=4Δ4≅>1Μ叭ΟΓ;:方法难与现代的转披过程受到来流湍流度、来流马赫数、压力梯(7%程序相融合0直接数值模
4、拟8%∋Γ:和大涡模拟,,度及其它诸多因素的影响因此存在着多种物理机8Ο)Γ:则由于受到计算机发展水平的限制只能应用0制0高!059,于简单流场的模拟从工程实际出发,半经验的。∋空中来流湍流度较低8小于:层流中的一0,//<=>?∗>≅/=>≅4=?3;1波或横流不稳定波的非线性指方法是最常用的转披预测方法另一种是模式理论,,数增长将导致湍斑的出现之后流动迅速发展为完它抓住了转挟过程的统计特性计算周期短且对计算全湍流状态,这种过程被称为自然转挟Α/Β或横流转条件的要求较低,是十分有效的数值方法,本文将探0,ΑΧΒ59,缺而叶轮机械中来流湍流度较高8大于:这讨转披模式
5、研究现状及存在的问题并对其发展方向时边界层内扰动呈代数增长,不再服从指数规律,这进行预测0Γ0,.ΔΕΦΓΑΦΒ,就是跨越8:转披此外逆压梯度会导致我们知道对∋ΦΠ/>卜∗41Θ>Γ方程作统计平均后,0阅0一层流边界层与壁面分离从而引发分离流转挟反可以得到雷诺平均方程由于∋ΦΠ=>Μ∗41Θ>Γ方程的,0过来顺压梯度会使湍流边界层再层流化ΑΓΒ,雷诺非线性平均方程中出现雷诺应力这一新的未知,,0目前Η一转挟预测方面的研究可分为两类是经量从而带来了如何使方程封闭的问题湍流模式理验近似方法,一是基于稳定性理论的方法0前者通过论是以雷诺平均方程及相关的雷诺应力输运方程为Η
6、!!乐一,Η收稿日期55!修回日期!!Ι!尽50,,国家自然科学基金85!!!ϑ!#!#!!#:博士点专项基金资助项目ΦΗ>Γ?2Φ0>0>?4)Ι<=/Κ∗ΙΛ<14=3≅Λ26!ϑ、0,,基础依靠理论物理认知和工程经验的结合通过的函数、,引进一系列合理的数学物理模型和假设建立的描ΦΖ[>。、/Φ>。,]0、一=乙[[ΦΞΨ∴言∴[ΤΙ0。ΗΞ’口,写湍流平均量封闭方程组的理论体系充分发展湍流5Ζ几∴[万了不而那瓦0,可以认为是转披过程的延续那么能否用湍流模式ϑ#∴一ΓΖ8[>,∴[。:6ΞΨ口>,6理论研究转披问题呢Ρ5!!5Ζ8[∴[月:早期用于转披研究的
7、湍流模式主要是代数模式Φ,ΦΦ10其中为模式系数常数占和是根据不可压平和单方程模式人们通过调整长度尺度来重现转披板边界层转披的实验数据得到的0,区中壁面摩阻和热传导系数的峰值比较典型的是转挟过程是这样被预测的0在起始段,边界层内1、>ΣΦ/ΛΤ=?Ο<ΦΥΑςΒ的,%1?Φ/Λ和和代数模式,,0ΘΨ!而自由流中Θ值也较小且Θ开始通过分子7=Γ≅ΑΠΒ以及∃ΜΦΛ等ΑΓΩ的单方程模式这类模式不0扩散从自由流中进入边界层内由于方程8/:中Θ和,具备预测复杂物体上转披起始位置的能力于是人们,,目的耗散均超过生成它们都没有被放大边界层保,只考察它们对转挟区内流动发展的预
