Turbulent Elementary Votrices and New Development in Theory, Predicition, and control of Turbulence

湍流初等涡流及湍流理论、预测和控制的新进展

基本信息

项目摘要

The elementary vortices are the smallest coherent structures in turbulence. Their physical characteristics and dynamical roles in turbulence have been clarified by the theory, the experiment, and the computer simulation in various kinds of turbulence realized in nature, laboratories, and computers. The elementary vortices exhibit common physical characteristics independent of the kinds of turbulence, that is, a tubular central vortex is surrounded by spiral vortex layers, the diameter and swirl velocity obey the Kolmogorov scaling laws but the length of the vortex extends to the large scales of turbulence, the vortices make groups and are localized in space, and many elementary vortices tend to approach in an anti-parallel manner and enhance the mixing ability. As engineering and practical applications, the large-eddy-simulation model based on the elementary vortices, the active feedback control of the wall turbulence by manipulating the elementary vortices have been developed, and the mechanisms of the enhancement of supersonic mixing combustion by introducing the longitudinal vortices and the generation of tornados as the large-scale coherent vortex have been clarified. Furthermore, the unstable periodic motions (spatio-temporal coherent structure as the skeleton of turbulence) accompanying regeneration of elementary vortices have been discovered in the Couette turbulence. The concept and the dynamics of turbulent elementary vortices established in the present research project shall be useful for the future turbulence research.
基本涡旋是湍流中最小的相干结构。通过在自然界、实验室和计算机中实现的各种湍流的理论、实验和计算机模拟,阐明了它们的物理特性和在湍流中的动力学作用。基本涡表现出与湍流类型无关的共同物理特征,即管状中心涡被螺旋涡层包围,直径和涡流速度服从柯尔莫哥洛夫标度定律,但涡的长度延伸到大尺度湍流中,涡流成群且局域于空间,许多基本涡流倾向于以反平行方式接近并增强混合能力。在工程和实际应用中,建立了基于基本涡的大涡模拟模型、操纵基本涡的壁面湍流主动反馈控制,以及引入纵向涡流增强超音速混合燃烧的机理。涡旋和龙卷风作为大尺度相干涡旋的产生已经得到澄清。此外,在库埃特湍流中还发现了伴随基本涡再生的不稳定周期运动(时空相干结构作为湍流的骨架)。本研究项目中建立的湍流基本涡的概念和动力学对于未来的湍流研究将是有用的。

项目成果

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新野宏: "竜巻とその親雲の流体力学"ながれ. 19. 105-118 (2000)
Hiroshi Niino:“龙卷风及其母云的流体动力学”Nagare。19. 105-118 (2000)。
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Toh,S.: "The Dynamics of Structures of T-Vorticity in 2D Free Convection Turbulence"IUTAM Symposium on Geometry and Statistics of Turbulence. 279-284 (2000)
Toh,S.:“二维自由对流湍流中 T 涡度结构的动力学”IUTAM 湍流几何与统计研讨会。
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Y.Nada, M.Tanahashi, T.Miyauchi: "Three-Dimensional Structure of H2-Air Turbulent Premixed Flames"Turbulence, Heat and Mass Transfer 4(eds.Hanjalic, K., Nagano, Y., Tummers, M.J.). 983-990 (2003)
Y.Nada、M.Tanahashi、T.Miyauchi:“H2-空气湍流预混火焰的三维结构”湍流、传热和传质 4(编辑 Hanjalic, K.、Nagano, Y.、Tummers, M.J.)。
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黒瀬良一: "気流中の粒子に働く流体力"粉体工学会誌. 39. 353-361 (2002)
Ryoichi Kurose:“作用于气流中颗粒的流体力”粉末工程学会杂志 39. 353-361 (2002)。
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M.Tanahashi, M.Fujimura, T.Miyauchi: "Coherent Fine Scale Eddies in Turbulent Premixed Flames"Proc. Combust. Inst.. 28. 529-535 (2000)
M.Tanahashi、M.Fujimura、T.Miyauchi:“湍流预混合火焰中的相干细尺度涡流”Proc。
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