湍流边界层外区大尺度相干结构的理论模型及与实验的比较.pdfVIP

中 ，日 抖 筝 (A 辑) 第23卷 第 1期 ~OIENCE INCHINA (Setie*A) 1993年 1月 一 湍流边界层外区大尺度相干结构的 理论模型及与实验的比较 罗 纪 生 周 恒 诶军元葶系，天i )叼、2^ 摘 要 本_丈基于流动稳定性理论．提 出了一种解释湍流边界层外区大尺度相干结构产 生机理的理论模型．将计算所得流线 、等涡线分布及利用相干结构理论模型计算湍 流遗界层中平均温度分布曲结果与实验比较，结果是 比较满意曲． 、／ 、， y 关键词 藩靴 界层、走尺删相干结构、涡粘系裁 —— 一 ——1■—一 1 引 言 湍流边界层中存在着大尺度的相干结构，这一结论 已经为人们所接受．相干结构的研究。 不仅对认识湍流本质有意义 ，而且也可能为湍流的工程计算提供有用的知识．通过实验发现， 这 种大尺度相干结构可分为性质根本不同的两类：一类存在于湍流边界层的近壁区，与猝发 现象有关 ，其尺度在平扳的展向约为 100个摩擦长度 ，在流向约为 1000个摩擦长度；另一类存 在于边界层的外区，这种相干结构在流向的尺度约为 2—3个边界层厚度．因此，相干结构的 研 究应对近壁 区和外 区分别进行．本文将建立湍流边界层外区相干结构的理论模型． BrownL~通过对壁面上脉动剪应力与沿壁面法 向不 同位置上的流 向脉动速度 做 相 关 发 现 ，相关量的最大值 ，其位置的连线是一条近似与流向夹角为 l8。的直 线． 这 一 结论 与 Falco 用流动显示得到的结果是一致的．但以前的实验结果除相关系数及流动显示外，没有 多少定量的结果．最近 Antoaianl第一次用实验方法 。给 出了湍流边界层中经相位平均后大 尺度相干结构的流线及等涡线图．这为理论模型的验证提供了有用的资料．本文理论结果的 正确与否 ，将利用这一资料来检验． 由于大尺度相干结构与层流边界层中的不稳定波有许多类似之处 ，而且从原来几乎不存 在的情况下产生某些结构一般都与不稳定性有关 ．基于这些原 因，已提 出了许多用流动稳定 性理论解释湍流边界层外区大尺度相干结构的理论模型． 但是 。这些模型都有不足之 处． Reynolds等 提出的二维准层流模型不能给 出不稳定的波 ，虽考虑了涡粘系数 ，但没有得到什 1991一儿一29收稿，1992—06一D6收修改稿． ‘国家 自然科学基金和 国家教委 恍秀青年教师基盎资助项 目． 第 1期 罗纪生等：湍流边界层外区大尺度相干结拇的理论模型及与实验的比较 ，， 么结果．Wu(昊雪松)等 采用复的常涡粘系数 ，能得到波数和波速与实验基本相符的不稳定 披 ，但所得到的不稳定波在靠近壁面处，幅值 忽大忽小，相位变化也太快，这些都与实验不相符 台． 把涡粘系数设成复的，这表明涡旋产生的 Reynold应力与大涡的变形率之间有一定的相 位差，即有滞后．这是比较符合实际的．因为如把用分子运动论的观点来解释粘性与用涡的运 动来解释涡粘系数做一比较，就可 以清楚地看到这一点．在用分子运动论解释粘性时，认为相 邻的两层流体之间，由于分子的无规则热运动 ，流体不同层之间存在着分子的交换．某一层中 的分子进人相邻一层流体时与 目Ⅱ的分子碰撞 ，使其动量与当地的平均值趋于一致，这就在两层 之间产生了动量交换，有了力的作用，这就是粘性应力．由于分子的碰撞从宏观尺度上看 ，可 以认为是瞬时完成的 ，因此粘性力的作用与变形率是同步的，没有时闾滞后．在湍流边界层 中，两层流体之间流体微团的交换是产生涡粘性的原因．与分子运动论一样，当一层的流体微 团进入相近的一层中时，也会与当地的流体作用，使其动量与当地平均动量一致，这样也会产 生层与屡之间的动量交换 ，即有力的相互作用．但