[论文解读] A Four Component Decomposition of the Instantaneous Velocity in Turbulent Flow

Khanh Tuoc Trịnh|ArXiv.org|Dec 29, 2009

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 3

一句话总结

本文提出了一种湍流中瞬时速度的四分量分解——长期平均、缓慢波动、快速周期波动和曳流分量——作为雷诺分解的精细化替代方案。该方法揭示了两种不同的雷诺应力（快速与缓慢），将快速应力与猝发事件期间壁面喷射关联起来，并通过由粘性相互作用驱动的曳流机制，实现了对壁面层的简化建模。

ABSTRACT

A four component decomposition of the local instantaneous velocity is proposed. It brings out more readily the terms in the Navier-Stokes equations associated with different events and fluid structures of turbulent flows than the classic two component decomposition of Reynolds. In particular the new composition highlights the existence of two types of Reynolds stresses: fast and slow. The fast Reynolds stresses can be linked to a streaming process that describes the ejection of wall fluid in the bursting process. It also provides a simple method for modelling the wall layer. The four components are a long time average, a slow fluctuating component based on the difference between the long term average and the smoothed phase velocity developed by passing coherent structures, a fast fluctuating component which is periodic in nature and a streaming component created by the interaction between the fast fluctuations and the fluid viscous effects. Key words: Velocity components, bursting, streaming flow, smoothed phase velocity, fast and slow Reynolds stresses, wall layer

研究动机与目标

• 开发一种比经典雷诺分解更详细的湍流中瞬时速度分解方法。
• 通过增强的速度分量分离，识别并隔离不同的流体动力学过程——尤其是猝发现象与壁面层动力学。
• 基于快速波动与粘性效应产生的曳流分量，提供一种具有物理解释性的近壁湍流层建模框架。
• 通过区分快速与缓慢雷诺应力，澄清纳维-斯托克斯方程中不同应力贡献的作用。

提出的方法

• 将瞬时速度分解为四个分量：长期平均、缓慢波动（长期平均与平滑相位速度之差）、快速周期波动和曳流分量。
• 利用从相干结构中提取的平滑相位速度，以分离出缓慢波动分量。
• 将曳流分量定义为快速波动与平均流之间粘性相互作用的结果。
• 将该分解应用于纳维-斯托克斯方程，以分离出与猝发等特定物理事件相关的项。
• 提出雷诺应力的新形式，将其划分为快速与缓慢两类，每类分别关联于不同的物理机制。
• 采用时间尺度分离方法，以区分快速周期波动与较慢的、与相干结构相关的波动。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在湍流中将瞬时速度分解为比经典两分量雷诺分解更具物理解释性的分量？
• RQ2 速度分解中的快速与缓慢分量分别关联于哪些物理过程，特别是在与猝发事件的关系方面？
• RQ3 曳流分量如何从快速波动与粘性效应的相互作用中产生，其在壁面层动力学中扮演何种角色？
• RQ4 该分解能否澄清纳维-斯托克斯方程中不同类型雷诺应力的来源与行为？
• RQ5 该分解在多大程度上可简化对近壁湍流层的建模？

主要发现

• 该分解揭示了两种不同的雷诺应力：快速与缓慢，每种均与湍流中不同的物理机制相关联。
• 快速雷诺应力与猝发事件期间壁面流体喷射直接相关，表明其为一种动态、周期性过程。
• 曳流分量源于快速波动与粘性力之间的相互作用，为壁面层内的动量输运提供了一种机制。
• 缓慢波动分量被定义为长期平均与相干结构平滑相位速度之差，从而能够更好地追踪大尺度流调制。
• 该方法通过隔离曳流效应，为近壁区域提供了一种简化但具有物理基础的建模方法。
• 该框架通过将纳维-斯托克斯方程各项与特定流体结构和事件（如猝发与相干运动）关联，增强了其可解释性。