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        北京物流信息聯盟

        三維流場漩渦識別的新方法

        SCPMA 2021-10-05 09:04:20

        【摘要: 如何從實驗和計算的海量數據中正確地顯示流場三維渦結構,?是一個巨大的挑戰和懸而未決的問題。最近《中國科學:?物理學?力學?天文學》英文版2016年第8期刊登了一個新的渦結構識別方法?!?/span>


        自然界漩渦到處可見,?大到龍卷風小到湍流,?湍流就是渦的堆積(見圖1)。在世紀難題湍流的相關研究中,?人們已經意識到湍流并非完全隨機,?而是存在著對流體動力學和能量輸運等起關鍵作用的擬序渦結構。如何準確地從海量的三維流場數據中提取渦結構正日益成為解決湍流難題的關鍵。最近中國科學報道的一項研究提出了新的流場渦結構顯示技術,?可以大大推動相關的研究。

        研究的論文題為: “New omega vortexidentification method”,?出版在2016年第8Science China: Physics,Mechanics & Astronomy (《中國科學:?物理學力學天文學》英文版),?研究者對亥姆霍茲速度分解(Helmholtzdecomposition)做了深入研究和探討,?并基于對渦結構的物理理解,?提出了一種新的旋渦識別方法:?方法。該方法由美國德州大學阿靈頓分校劉超群教授提出,?并由德州大學楊勇,?南京航空航天大學王義乾,?清華大學段志偉,?倫敦城市大學孫正中諸位科研工作者們將這種方法應用到多種復雜三維流動中,?都獲得滿意結果,?驗證了該方法的準確性和優越性。

        該項研究在對亥姆霍茲速度分解進行深入探討后,?提出將流場的渦量進一步分解為對應于旋渦結構的部分(vorticalpart)和非旋渦結構的部分(non-vorticalpart)?;谶@一理解,?引入參數來定義漩渦和識別漩渦。等于渦量平方除以渦量平方及形變平方之和。根據流動中旋轉運動(rotation)和變形(deformation)之間的關系,?提出對漩渦的數學定義和識別方法。當大于0.5,渦量超過變形,?就認為漩渦形成,?=0.52的等值面去識別漩渦表面,?進而顯示流場中的三維渦結構。最后,?研究者將這一方法應用到三種不同的三維流動中,?包括邊界層轉捩,?超聲速微型渦流發生器(micro vortex generator),?表面粗糙誘發的轉捩(roughness inducedtransition)。盡管三種流動具有明顯不同的壓縮效應(馬赫數不同),?但使用=0.52都能很好的捕捉流場三維渦結構。在此之前,?沒有人給出漩渦(Vortex)的數學定義,?傳統的漩渦識別方法的致命弱點是要對每一個場合每一個時刻甚至每一個區域選一個恰當的門檻(Threshold),?不同的門檻就會得到不同的渦結構,?究竟哪一個對哪個不對,?什么是對的門檻什么是錯的門檻,?無人知曉也無法知曉。與其他方法對比,?方法比較統一(=0.52),?不需要設置門檻。方法計算簡單、物理意義明確,?更能夠同時捕捉強渦和弱渦,?進而給出更代表物理的渦結構顯示。人們往往誤解漩渦就是渦管(VorticityTube),?方法提示我們漩渦(Vortex)只是代表一個地方, ?那兒渦量大于變形,?漩渦不是渦管。舊有的渦識別方法會造成許多誤解,?比如認為湍流是由大渦破碎形成,?就是一例,?其實這是由于錯誤門檻選擇造成的誤解。相信劉超群教授的新的渦識別方法會大大促進湍流生成原理和復雜三維流動的科學研究,?尤其對研究旋渦主導的流動有著十分重要的科學意義。廣大科學工作者也會應用這一新方法作為工具去進行渦結構識別和顯示。



        1 ?自然界中的漩渦(a)龍卷風(b)邊界層轉捩


        ?


        更多詳情請閱原文:

        LIU Chaoqun, WANGYiqian, YANG Yong & DUAN Zhiwei, New omega vortex identification method,Science China: Physics, Mechanics & Astronomy, 2016, 59(8): 684711

        http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/doi/10.1007/s11433-016-0022-6?(建議用Google瀏覽器)


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