二维均匀剪切湍流的湍涡闭合方案-干旱气象.PDFVIP

第２８卷　第１期 干　旱　气　象 Ｖｏｌ．２８　Ｎｏ．１ ２０１０年３月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ Ｍａｒｃｈ，２０１０ 文章编号：１００６－７６３９（２０１０）－０１－０００８－１２ 二维均匀剪切湍流的湍涡闭合方案 赵建华，张　强 （中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室， 中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃　兰州　７３００２０） 摘　要：通过仔细分析Ｔｈｏｒｐｅ与Ｗｏｏｄｓ等对湍流的典型实验，得到如下结论：（１）提出了湍流的太极 模型；（２）指出了湍流串级的内容包括２个内容，一是湍流外圈层（大涡）在内旋到内部时产生新的圈 层（小涡），二是在阴阳旋臂相切的锋面由于依然存在较大切变而产生新的次尺度湍涡；（３）指出湍流 的耗散机制是通过湍涡，把具有切变的２流场的交界面通过旋转而无限拉长以增大２者的接触面积， 加强了交界面之间的分子交换，从而实现了湍流层层混合的高效率；（４）基于湍涡结构，提出了湍涡 闭合方案，给出了Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力的表达式，闭合了雷诺方程；（５）混合长反映了湍涡的大小，Ｋａｒｍａｎ常 数则反映了湍涡内外半径比的关系；（６）指出Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程算子是湍流方程推导的关键，提出了湍流 算子的概念；（７）推导出了新型的湍流运动方程；（８）提出了关系不变性原理。 关键词：湍涡模型；湍涡闭合方案；Ｋａｒｍａｎ常数；湍流算子；关系不变性原理 中图分类号：Ｐ４０４　　　　　　　文献标识码：Ａ 　　自１８８３年Ｏ．Ｒｅｙｎｏｌｄｓ在圆管流体实验中发现 有涡旋性质。另外，考察初始时刻涡旋的生成，发现 湍流以来，有关湍流的研究已有许多。比较重要的 阴阳流元皆从彼此的源地流转出来而围绕涡心运 ［１］ 转。故从效果上来说，单元中心具有引力与旋转２ 研究有：Ｔａｙｌｅｒ的涡模型 ，Ｐｒａｎｄｔｌ的混合长理 ［２］ ［３］ 种性质，即该单元细胞是一种具有引力的涡旋结构， 论 ，Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ的串级过程 ，Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ的Ｋ４１ 系列理论［４－６］，周培源的先求解后平均的湍流理 也就是有势场与有旋场的统一。引力加上旋转，可 ［７］ ［８－１１］ ［１２－１３］ 能是湍流细胞形成与维持的一种机制。 论 ，拟序结构 以及湍流逆梯度输送 等。 但是湍流是什么，湍流具有怎样的形态，以及湍流形 （３）在此绕心运动中，阴阳线流围绕中心并不 态的特征，却没有解决。本文对此进行了尝试性的 仅有一圈，而是越绕越长，越绕越密，形成一圈圈象 线团一样的结构。这显示了大涡旋里面套小涡旋、 研究。 小涡旋里面套更小涡旋的涡旋层层相套的现象，且 １　湍流形态的几何构型 是大涡旋形成小涡旋的顺级过程。 （ ４）在第５幅图的涡旋层层相套的演化过程 ［１４－１５］ ［１６］ 仔细分析Ｔｈｏｒｐｅ 、Ｗｏｏｄｓ 等对机械湍流 中，已经出现细微的阴阳线流的混合。这表明：因线 的模拟结果，可以发现下面７个特点。以下约定阳 流被旋转拉长而造成了阴阳流元的接触表面积增 元指实验中上层的水，阴元指下层染色盐水。 大，加强了阴阳线