湍流的多尺度非均衡理论及其应用

Non-equilibrium turbulence exists widely in the world. The studies on non-equilibrium property is a necessary step in people's recognization history, and is also a specific step under the global requirement of government. Existing studies on non-equilibrium turbulence can only correspond to specific non-equilibrium procedures without constructing a systematic theory. Inspired from our previous researches, in order to efficiently describe the non-equilibrium property in real turbulence, we consider the spirit of non-equilibrium, i.e., the multiscale property, and give the strict definition of "multiscale non-equilibrium property". We then propose a further analysis based on the ensemble spectral- and physical-space analysis, in order to construct a systemetic theory framework. This theory is expected to provide methodologies for practical modeling applications, such as subgrid-scale modeling, turbulence modeling and closure modeling, with numerical verifications in practical complex turbulent flows.

非均衡湍流在自然界中广泛存在，对其的研究是人类认识湍流从简单走向复杂的必要一步，而其成果也直接面向国家的重大战略需求。现有的非均衡研究都存在着局限性，只能用于一些特殊、理想的非均衡演化过程，且没有形成完整统一的理论体系。在前期工作的启发下，为有效地描述真实流动中的湍流非均衡性，申请人考虑非均衡的本质即多尺度特性，提出更具有普遍性的“多尺度非均衡性”思想；在此基础上，针对性地提出新的研究方式，即谱空间和物理空间的联合多尺度分析方法，以建立较完整的非均衡理论体系。接着将该理论用于湍流建模，分别在亚格子模型、湍流模型和封闭模型中考虑多尺度非均衡性，改进现有的模型，并在真实复杂湍流中进行检验。

非均衡湍流在自然界中广泛存在，对其的研究是人类认识湍流从简单走向复杂的必要一步，而其成果也直接面向国家的重大战略需求。本项目：（1）提出了对非均衡湍流和时间反转湍流的新理解。首次提出“谱非均衡”的概念并在谱空间给出精确的定义。由此出发，定义可解尺度速度差扭率为表征非均衡湍流的关键物理量，并提出了将湍流场分解成充分发展场和逆均衡场的统计分解方法。首次提出了时间反转湍流的新标度律，并在DNS数据库中进行了验证，吻合很好。（2）分别研究了压气机叶栅、后台阶流动、空间转捩的槽道等复杂流动中的湍流非均衡特性。（3）针对物理空间的速度结构函数，提出类比于谱空间的准正则假设的方法，进行了封闭建模，得到了和DNS结果基本一致的解析解。（4）为了对非均衡湍流进行大涡模拟，本项目对大涡模拟方法进行了深入的研究，特别是针对我们采用的理性亚格子模型思路，从方法论上进行了研究和总结，提出了亚格子建模中的假设和限制的概念，并推导得到了假设和限制应当满足的正交关系。