陈十一课题组关于可压缩湍流的研究成果发表于《物理评论快报》

近日,《物理评论快报》(Physical Review Letters)发表了陈十一课题组题为“三维可压缩湍流的动能级串”(Cascade of Kinetic Energy in Three-Dimensional Compressible Turbulence, Phys. Rev.Lett. 110, 214505,2013)的论文,报道了陈十一课题组有关可压缩湍流中的能谱结构和能量级串机理的最新研究成果。该研究工作在湍流与复杂系统国家重点实验室陈十一教授和北京大学应用物理与技术研究中心贺贤土院士的联合指导下,由王建春博士、杨延涛博士等合作完成。 论文链接:(http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.110.214505

可压缩湍流广泛存在于各种工程应用和自然现象中,如超声速飞行器、受控热核反应、高温燃烧流动、星系的形成和演化等。近年来,高马赫数可压缩湍流的流动机理是湍流研究的一个热点。在之前的研究成果基础上(Phys. Rev. Lett. 108, 214505,2012; Phys. Rev. Lett. 110, 064503,?2013),陈十一课题组通过高精度数值模拟,研究了可压缩湍流的能量流动机理,将传统的不可压缩湍流能量级串理论推广到了可压缩湍流中,并论证了可压缩湍流的能谱具有Kolmogorov的-5/3幂次律。研究结果表明,可压缩湍流场的剪切模态和胀压模态分别具有各自的能量级串行为;胀压模态的能量级串过程要远远快于剪切模态的能量级串过程。从而,剪切模态的能量在较小尺度上占主导地位,并且具有类似不可压缩湍流的Kolmogorov-5/3幂次律能谱。此外,课题组分析了可压缩湍流场中的激波结构对流场能谱和能量流动的影响。数值模拟和理论分析表明,在大尺度胀压力驱动下,可压缩湍流场中会出现大尺度激波结构,导致胀压部分的能谱具有-2幂次律。通过条件平均发现,大尺度应力张量和亚格子应变张量在激波区域具有反向平行的关系,而且动能的局部亚格子流动和局部胀量的平方成线性关系,从而定量地揭示了激波对能量流动的促进作用。由于激波的存在,绝大部分动能从大尺度传向小尺度,并且能量级串过程具有很强的尺度相似性。

该研究为天体物理中关于星际气体运动的观测结果提供了理论依据,且对复杂流动条件下高马赫数湍流的研究具有重要的指导意义,也有助于我们更深入地理解可压缩湍流的物理机理,发展更先进的可压缩湍流模型。

该项研究得到国家自然科学基金湍流创新群体、重点项目、973项目和中国博士后基金的资助,还得到了北京大学应用物理与技术研究中心资助。

剪切模态(黄颜色)和胀压模态(红颜色)亚格子能流的空间结构

可压缩湍流的能谱以及剪切模态和胀压模态的能谱

 

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