拟序结构

流体力学术语

在流体动力学中，湍流边界层拟序结构，是指在尺度为边界层厚度的量级的空间内，流动特征一致或紧密相关的流动。

定义

拟序结构是一个连续的大尺度湍流团，它所在的空间范围存在一个相关联的涡旋，并且存在一个有序的涡分量，湍流是由拟序与非拟序的运动组成，后者加在前者上并延伸到拟序结构的边界。

所谓拟序结构，是指在切变湍流中不规则地触发的一种序列运动，其起始时刻与位置是不确定的，但一经触发，它就以某种特定的次序发展特定的运动状态，又称相干结构(coherent structure)。

来源和发展

长期以来湍流被视为无规则的随机运动。1940年代，Corrsin以及Townsend发现湍流场与非湍流场之间存在一个明显的界面（sharp interface），该界面后来被Kovasznay称之为在边界层中的大涡结构。1958年，Grant在“大涡假设”构思的基础上，进一步研究了平面尾流，发现尾流中的大涡结构比想象的更加有序，而且尾流中包含有两种大尺度结构，一是涡的配对，两排涡一个接一个地以相反的方向旋转；二是一系列流体从尾流中心射向外缘，他指出这一现象是湍流切应力不稳定的结果。50~60年代，Kline等用简单光学技术对流场进行观察，表明湍流并非像以往所说的那么杂乱无章，他们在边界层中注入染料，发现近壁处有纵向条纹结构，并观察到一种有序的“猝发”过程周期性地发生，这些过程虽然在其空间尺度和强度上仍然无序，但是存在一个明确的统计平均周期和一定的结构外形，这一有序的现象引发了人们对边界层结构的再认识。1971年，Crow和Champagne发现在自由射流的剪切层中存在有序的涡结构，其特征就像上游的扰动在下游的传播。

虽然人们很早就以多种形式观察到流场中的有序结构，但是湍流中的拟序结构这一概念，是Brown和Roshtko在平面混合层中观察到此现象后，才得以承认并流行开来的。这一过程如此漫长，一则因为人们的观念通常先入为主，湍流的随机性质在人们脑中根深蒂固；二则因为使用了一个多世纪的雷诺平均法，抹平了流场中某些结构特性，阻碍了人们对拟序结构的认识。

随着湍流工作的展开，为了能够定量地获得更多背景湍流场中相关拟序结构的时空特性信息，自70年代开始，人们基于拟序结构运动特性的不同侧重、不同理解发展了各种不同的条件平均与采样技术，其中最常见的有象限法(Willmarth和Lu，1972年)、变间隔时间平均法（简称VITA，Blackwelder和Kaplan, 1976年）等，由于检测条件的机理不同，因此获得的结构并不统一。

进入八十年代，Head和Banyopadhyay(1981年)采用烟线技术第一次把实验中发现的涡结构解释为发卡涡。

性质

作用

已有的研究表明，流场中拟序结构包含了一定的能量。据估计，拟序结构所包含的能量占流场中总能量的比重，在平面混合层中大约是20%，加速混合层中大约20%，射流的近区流场大约50%，轴对称射流远区流场大约10%，尾流近区大约20%，平面尾流远区大约20%，壁约束流场大约10%。由此可见，通过控制拟序结构的强弱就能够达到改变湍流场特性的目的。

已有研究还表明，拟序结构是产生流动噪声的主要根源，对拟序结构加以抑制和破坏，能大大降低噪声。圆射流中的噪声源不随流场移动，而是固定在涡配对的位置上。这也就是说，不是拟序结构存在的过程对产生噪声起作用，而是拟序结构形成的过程产生了噪声。

大涡拟序结构在运动中，会把结构周围非湍流的流体卷吸进结构中来，在大涡合并过程中，这个卷吸现象尤其明显。就自由剪切层而言，流场的增长主要是大涡拟序结构的相互作用、合并以及大涡的卷吸作用造成的，并非小尺度结构湍流扩散的结果。对于边界层而言，由于壁面的剪切作用，其卷吸过程更加复杂。

拟序结构对流场的混合、燃烧和化学反应过程、热的输运的影响已经引起了人们的重视，并成为近年来人们研究的重点，对拟序结构的人为控制也逐渐引起人们的注意。最初人们在飞行器设计中发现，通过人为地将分离点推后能使机翼获得更高的升力，而推迟分离点的具体办法就是激发拟序结构的产生。此外，通过影响边界层中的拟序结构能减少阻力，这无疑是一种经济而有效的办法。

控制

迄今为止，人们比较熟悉的增强拟序结构的方法有两种，一是对流场施加周期性激励；二是在流场中加入高分子聚合物。后者还能使自由剪切流中的非拟序小尺度结构变少。较早的研究结果还表明，在壁湍流中加入高分子聚合物后，能使壁面切应力减小，最近的研究探明这一结果与拟序结构的变化有关。

在流场中加一个相对高频的周期性激励、改变边界条件以及固壁表明条件或者设置大涡分解装置等方法，都可以起到抑制或者破坏拟序结构的作用。

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