1941年偉大數學家 Kolmogorov 提出大雷諾數條件下湍流局部均勻各向同性假定,並建立了被視為現代湍流研究開端的K41理論。作為K41理論王冠上最閃耀的一顆明珠,Kolmogorov 預言的湍能譜-5/3冪次率在大約10年後被實驗所證實。然而,湍能譜的-5/3冪次率是在不可壓縮、均勻、各向同性和慣性子區無粘的假定下得到。在實際流動中,尤其是在中低雷諾數條件下的邊界層,慣性子區不可能無粘,這些假定往往不能滿足。美籍華人德州大學阿靈頓分校終身傑出教授 Chaoqun Liu 教授團隊2017年提出把流體運動的剛轉部分分離出來(後來命名為Liutex),並在研究中低雷諾數湍流邊界層(Reθ≈1000時)發現,Liutex向量大小的能譜與-5/3冪次率能夠很好吻合,相反湍能譜只有在很小的波數(頻率)範圍內才微弱滿足-5/3冪次率,如圖所示。
湍流邊界層中(a) Liutex 譜和(b)湍能譜與-5/3冪次率的對比
Liutex的-5/3冪次率之所以具有更普遍的適用範圍是因為 Liutex 向量代表流動中的剛性旋轉部分,而剛性旋轉部分無剪切、無粘性耗散,因而不受粘性的影響,從而獨立於雷諾數。因此 Liutex 在中低雷諾數下的小尺度結構仍然符合相似率。相比之下, Vorticity 和Q等第二代渦識別方法都不具備相似律,與-5/3冪次率相距甚遠。這一發現不僅增進了人們對湍流物理的認識,同時對建立更普遍使用的亞格子模型具有重要的意義。掃描二維碼閱讀全文。
Cite as: Xu W., WangY., Gao Y. et al. Liutex similarity in turbulent boundary layer [J].Journal of Hydrodynamics, 2019, 31(6): 1259-1262.Cite as: Liu C., Gao Y., Dong X.R., et al. Third generation of vortex identification methods: Omega and Liutex/Rortex based systems [J]. Journal of Hydrodynamics, 2019, 31(2): 205–223.*上述兩篇文章限時開放至2020年2月3日。
Chaoqun Liu 教授團隊2018年以來在 Journal of Hydrodynamics 和 Physics of Fluids 上發表關於第三代渦識別方法(以 Liutex 向量和Ω渦識別方法為代表)的論文二十餘篇。如需獲得第三代渦識別方法的相關軟體,歡迎訪問 Chaoqun Liu 教授的網站https://www.uta.edu/math/cnsm/public_html/cnsm/cnsm.html,籤署用戶協議後,即可免費下載。
掃描二維碼 了解更多期刊信息
點擊【閱讀原文】,了解更多Journal of Hydrodynamics 期刊。本文由施普林格自然北京辦公室負責編譯。