【优博微展】陈槐：封闭槽道紊流相干结构研究

陈槐：2015年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者封闭槽道紊流相干结构研究CoherentStructu...

陈槐：2015年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

封闭槽道紊流相干结构研究

Coherent Structures in Turbulent Channel Flows

作    者：陈槐         

指导教师：王兴奎

培养院系：水利水电工程系            

学    科：水利工程

读博感言：行胜于言紊流是自然界和工程中广泛存在的流动，其对物质和能量具有重要的输运作用。实验及计算机技术的发展，促成了紊流中相干结构的发现，紊流被视为全频谱内各种尺度的涡旋叠加的结果。但用于涡旋提取的旋转强度法还无理论解，且涡旋的某些动力学特性及属性（如方向等）还是未知的。

紊流相干结构的研究是认识紊流的物理本质、建立完善的河流动力学体系的基础。论文选题对于河流治理和河流动力学的学科发展具有重要意义。论文从旋转强度法理论解出发，将其应用于数值及实验中提取涡旋的属性，有助于促进对相干结构的认识。论文从涡旋识别方法入手，针对旋转强度法缺乏理论解的现状，对二维和三维旋转强度进行理论推导，由此解决二维和三维旋转强度间的关系及两者差异对涡识别的影响问题。进一步根据直接数值模拟的槽道紊流数据对二、三维不可压条件下的旋转强度的理论解做了详细分析，对比两者差异。论文并将旋转强度理论解应用于具有工程意义的方腔槽道紊流中，识别涡旋结构及大尺度环流，建立方腔槽道紊流相干结构的唯象模型。

上图为通过旋转强度理论解提取的涡旋等值面图。它刻画了涡旋结构的三维形态。论文统计了涡旋结构在三个切面（xy, yz及xz）内的属性（如数量、尺度及方向）。

上图为利用PIV（粒子图像测速技术）测量带有方腔的槽道紊流，进行时均流场、环流、涡旋及POD分析，而建立的唯象模型。用以解释在剪切层向下游发展的过程中，槽道与方腔间的相互作用机理，时均环流、雷诺应力及涡旋间的相互关系。1、推导得出了二、三维可压及不可压条件下的旋转强度的理论解，以及二维和三维旋转强度之间的关系式，定量分析了时均剪切对涡旋识别的影响。

2、应用二维与三维旋转强度理论解提取槽道紊流不同切面上的涡旋结构属性（密度、半径及方向），并全面比较两者在三个切面内的差异，并得出了涡旋方向的理论解。

3、将旋转强度理论解用于识别方腔槽道紊流中的涡旋及大尺度环流，结合时均流场及POD分析，建立了方腔槽道紊流相干结构的唯象模型。1、H Chen,R J Adrian*,Qiang Z, X Wang. Analytic solutions for three dimensional swirling strength in compressible and incompressible flows. Physicsof Fluids, 2014, 26(8):81701;

2、CHEN H,ZHONGQ,WANGX,LI D*.Reynolds number dependence of  flow past a shallow open cavity. Science ChinaTechnological Sciences, 2014, 57(11):2161-2171;

3、陈槐，陈启刚，苗蔚，李丹勋.Reynolds数对方腔流谱结构的影响.清华大学学报（自然科学版）,2014, 54(8):1031-1037.

来源：清华大学研究生院

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