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湍流的非局部自相似随机函数模型

湍流的非局部自相似模型* 史一蓬1,丁可琦1,张志雄1,胡宁1,佘振苏1, 2 1.北京大学工学院,湍流与复杂系统国家重点实验室2. Department of Mathematics, University of California, Los Angeles, Los Angeles, CA 90095, USA Email: she@pku.edu.cn, Fax: 010 Phone: 010摘要:真实湍流的脉动结构级串过程满足如下非局部自相似模型:湍流各尺度的脉动结构存在广泛的非局部自相似性,无穷大,各类脉动结构在各个尺度上的比重相同,同一类脉动结构在不同尺度的强度满足一定的。非局部分形插值方法(NLFIT),由它得到了具有无穷大Re数的人造湍流场,它具有满足-5/3律的能谱,消除了流场能谱和速度结构函数上的抖动。对于无穷Re数流场,不光是速度结构函数,还有许多物理量也具有绝对标度律,利用它们可以建立新的亚网格应力动力学模型。 关键词:湍流模型, 非局部分形插值, 引言 湍流场是一个具有丰富尺度结构的大自由度复杂系统, 既具有随机性,也具有统计上的相对稳定性和自组织性。为了工程的需要,人们需要对湍流场数值。如果直接去(通常称DNS),因计算时间空间代价过大而难以实现。因此人们常粗粒化流场的演化规律,对亚网格应力一定的模型,用大涡模拟(LES)方程去粗粒化流场的演化过程。所亚网格应力(SGS)模型太多人为的因素,缺乏理论根据,尚不够精准,离工程应用还有距离。 由于亚网格应力过滤掉的小尺度脉动和可解尺度湍流间的动量输运,为了完善大涡模拟所依赖的亚网格应力模型,需要尽可能多地利用湍流脉动结构由大尺度到小尺度演化的规律。而基于湍流脉动结构自相似性的随机函数模型是探索检验和理解这些演化规律的很好工具。分形插值方法(FIT)粗网格流场Scotti和Meneveau[1,2]用FIT得到粗粒化Navier-Stokes大涡模拟方程信号一些重要的分形特性,如K41标度律Basu[3]扩展了通过设定FIT的参数,还能得到级串过程的,包括一些在真实世界中难以获得的理想化,为研究提供丰富的数据。分形插值方法已经被用来模拟湍流场[6-12]。的能谱及速度结构函数曲线都有不规则波动这些波动FIT所定义的从大尺度信号到小尺度信号的映射。他们分形插值方法得到亚网格应力模型。我们发现真实湍流中的自相似性是非局部的将具有相似性的脉动结构归为同一类,Re无穷大的流场如下两个各类脉动结构在各个尺度上的比重相同;同一类脉动结构在不同尺度的强度满足一定的[4,5]。,通过的随机映射网络随机映射网络对数泊松分布的[13,14],得到了具有无穷Re数的流场,它的能谱满足5/3律,速度结构函数具有绝对标度律。,的许多物理量也具有绝对标度律,利用这些标度律可以建立新的亚网格应力动力学模型。湍流场的速度脉动结构具有一定的自相似性,利用这一性质可以构造具有形式的迭代函数系统(IFS)来重构湍流场,这里 这种迭代函数系统被称为分形插值。通过迭代能从给定的m + 1 个插值节点构造出小尺度信号。以m = 2时为例。限定使得 当时,分形插值算子是连续空间的压缩映射。这样从任意在插值节点处有固定值的连续函数出发,通过迭代将收敛到连续的极限函数u(x)。这样便得到了小尺度人造信号。 FIT由自身到自身的映射构成,因而其人造信号具有局部相似性(如图1(a)所示)。 合子中信号存在非局部相似性脉动首先,我们把区间分割成个等长子区间。对一个在插值节点上有给定值的连续函数,记在相对于各子区间线性部分之脉动为,相对于区间线性部分的脉动为。这样我们对一维湍流信号建立了一个非局部相似模型,即 (a) FIT构造的一段信号具有局部自相似性。 (b)管流信号合子中信号存在非局部相似性脉动。 我们的目标是构造如下的非局部分形插值算子 (4) 因此对每个我们需要确定及。 我们发现真实湍流信号小尺度脉动的位置没。因此每个子块相应的可以进行随机取。进一步假设每个相似结构类在不同尺度上出现的概率相同,因而对作了限制:每个大尺度脉动有且仅有两个明显与之相似的小尺度脉动。我们假设脉动强度满足符合SL94标度律[15,16]的随机乘子模型,满足对数泊松分布[1,14] (5) 这里。因,故算子是上的压缩映射。这样由一在插值节点处有定值的连续函数出发,通过的迭代将收敛到一不动点函数,这就是。 Figure 2 能谱实线圈虚线。 由粗粒化的一维管流信号开始,我们用如上定义的算法生成

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