标量湍流的结构和输运特性研究

由于标量湍流中大尺度结构的存在，使得标量湍流结构、统计特性以及输运特性均有别于速度场。近年的理论和实验结果表明，包含有较强大尺度结构的信号（如具有ramp-cliff(RC)结构的标量湍流信号），传统的Fourier变换和结构函数方法所得到的结果都会受其强烈影响。本项目主要开展标量湍流的结构特性和输运机理研究。首先结合射流和风洞实验对标量湍流场进行测量，采用新近提出的任意阶Hilbert谱分析方法，定性和定量刻画标量湍流大尺度结构对输运特性和小尺度标度行为的影响，重点研究标量输运中的尺度效应，力求建立标量输运及扩散的新模型。理论上应用直接相互作用原理进一步研究大尺度结构对标量湍流统计特性的影响，丰富和完善对标量湍流的认识，为湍流理论的实际应用奠定更加坚实的基础。

在国家自然科学基金的支持下，我们对标量湍流的结构及其输运特性进行了实验、计算以及理论研究，顺利完成原定计划。在实验方面，开展射流以及风洞实验，获取相应的温度、速度数据。在数值模拟方面，开展了具有温度梯度的均匀剪切直接数值模拟，获取相应的速度、温度以及能量耗散场。理论方面，开展统计分析，发现由于峭壁结构(ramp-cliff结构的存在)，使得标量湍流的统计刻画异常困难，传统方法会造成很强的统计偏差；发现速度、温度增量的概率密度函数所满足的标度行为，并应用于湍流热对流系统中，首次观察到了Kolmogorov标度行为，证实湍流热对流中的传统Kolmogorov背景脉动；在湍流热对流系统中直接验证何国威教授的椭圆模型；对二维湍流中的涡量(可视为被动标量)进行了分析，发现不同于理论预测的双标度律行为；在海洋环境湍流，对溶解氧与温度间的关系进行了统计刻画。在该项目的支持下，总计发表学术论文13篇，其中SCI收录11篇，ISTP收录1篇。