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管流稳定性研究取得进展

  管流稳定性研究进展

  “物理评论快报”近日发表了北京大学力学与空间科学系,湍流与复杂系统国家重点实验室“通过具有粗糙内表面的管道的流体流动的摩擦缩放”的题为“临界不稳定性和PRL” (2009)报道了他们在管流稳定性研究方面取得的最新成果。1883年Reynolds的管流实验给出了流体力学和物理学家两个世纪的问题:湍流和层流湍流过渡。目前,在识别湍流方面已经取得了很大的进展,但湍流的机制尚不清楚。这与管道流动的独特性有关。层流到湍流的转变往往是由流动的不稳定性引导的。在过去的一百多年中,理论家进行了大量的实验,发现管流与其他剪切流(如边界层流)不同:它总是线性稳定的,实际工程中人们观察到的管流常常是处于动荡状态。理论与现实之间这种明显冲突的直接推论是有限振幅扰动在管道流动不稳定和过渡过程中的非线性效应。引入大振幅扰动的一种方法是初始摄动。一些相关的数值和实验研究在过去的五年中取得了一些进展。另一种是来自流场的边界,这可能是一个更自然的干扰,如墙面粗糙,因为没有墙是绝对光滑的。早期粗糙的墙壁对流动的影响引起了人们的关注。 1933年,Nikuradze完成了迄今为止最系统和最实验的研究,并测量了不同粗糙度下的摩擦系数和雷诺数之间的关系。然而,粗糙管道流动的不稳定性和过渡机制的理解近八十年来还不清楚,原因很简单,粗糙单元的特征尺寸与管道直径之间的几个数量级的差异不仅给出了理论分析为了解决上述问题,陶建军的任务组首先建立了一个微观尺度上粗粒单元的物理模型,然后在这个模型的基础上,利用积分方法得到了基本流场的渐近解,并给出了粗糙壁对平均流场的非线性贡献。研究小组通过稳定性分析得到如下结果:(1)粗糙流管失效机理:即壁面粗糙度的雷诺应力会造成平均校正流场,虽然校正量较小,但足以导致螺旋不稳定的结构(见右)。临界雷诺数的理论预测与实验相吻合。 (2)不是粗糙,而是决定流动不稳定性的粗糙元素的形状,与以往人们所知不同,但与Nikuradze的实验相一致(3)更为有趣的是,在对理论模型进行分析的基础上,陶建军的工作组提出了尼古拉兹实验结果的一个新的尺度关系,可以将现有的属于不同分支的实验数据在整个雷诺数范围内从层流到湍流)一条曲线,这个结果强烈地表明,可能需要修改关于管流转换的基本概念,换句话说,转换可能是确定性的,至少对于由粗糙的壁造成的过渡过程来说,这些结果对于更多的高效的海洋和航天工程流量控制,由于上述结论仍然是基于简化的物理模型,更深入的研究仍在进行中SS。 (来源:北大)

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