壁湍流结构演化规律及其记忆特性研究

The evolution of turbulent structure in wall-bounded turbulence shows multiscale properties in time and space, anisotropic properties and memory effects, it is the key issue for the study of turbulent physics. Memory effects of turbulent structure with different scales will be investigated in wall turbulence, the turbulent dynamics in time and space and energy transfer properties will be focused in this project. .By means of experimental measurements and theoretical analysis, coupled with numerical simulation, the temporal and spatial structure of turbulence in the near wall region will be decomposed, and the evolution process of different scale structures of wall turbulence will be tracked, so as to understand the memory effects of typical wall turbulence structures in the process of generation, development, maintenance and decaying. Through effective data analysis and structure identification methods, the memory effects of turbulent structures will be described by introducing multi-time scale memory functions, and the effects of large-scale structure energy injection on the energy distribution of structures at different scales will be studied to reveal the energy transfer law between different scales. The memory effect will be introduced into the simulation of Reynolds stress to provide theoretical support for solving wall turbulence in major engineering projects.

壁湍流结构演化过程呈现复杂的时空多尺度特性和各向异性特征，具有明显的记忆特性，是湍流机理研究的关键。本项目研究壁湍流不同尺度湍流结构的记忆特性，探索其对湍流结构的时空演化动力学行为及能量传递规律的影响。采用实验测量和理论分析方法，辅以数值模拟，对近壁区湍流进行时空结构的分解和模态识别，跟踪壁湍流不同尺度结构的演化过程，从而了解典型壁湍流结构在生成、发展、维持和衰减等过程中的记忆特性。通过有效的数据分析和结构识别方法，引入含有多时间尺度的记忆函数来刻画湍流结构的记忆效应，进而关注壁湍流的自维持机制和能量的再分配机制，特别是大尺度结构记忆特性对不同尺度结构能量分布的影响，以揭示不同尺度间的能量传递规律。将记忆效应引入雷诺应力的模化，为解决重大工程中的壁湍流问题提供理论支撑。

湍流流动中普遍具有典型的涡旋结构，这些结构具有不同的尺度特性和时空演化特性。湍流结构在时空演化过程中发生多尺度的相互作用，并且在湍流传热、传质等物理过程中起关键作用。课题主要对壁湍流和湍流热对流等经典湍流问题开展实验、数值模拟和理论研究，重点关注湍流场中不同尺度的流动结构演化规律和输运特性。采用PIV 等湍流流场的测量技术，捕捉典型的湍流结构，并进行相应的数值模拟研究。采用POD、DMD等模态分解方法获取流场中大尺度结构、不同频率特性的湍流结构；利用FTLE、虚拟粒子等拉格朗日方法追踪涡结构演化；定量计算相关系数、雷诺应力、湍动动能产生和再分配等揭示不同湍流结构对湍流输运的贡献。项目成果集中于三个方面：1、精细刻画壁湍流结构受自由湍流诱导的生成及演化过程；2、边界层转捩及充分发展壁湍流中的能量输运特性研究；3、流动控制对湍流结构的生成演化及热输运特性的影响。项目成果对探索湍流机理，特别是认识复杂的多尺度湍流结构生成演化和能量输运机理具有重要的理论意义，为解决工程应用中的湍流问题提供坚实的理论支撑。