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北大颜大椿教授《实验流体力学(第三版)》

已有 268 次阅读 2024-4-10 17:07 |个人分类:高校教学|系统分类:教学心得

第三版前言

    

本书第三版增加了第五篇湍流及相关实验研究,对湍流研究作简单的回顾。

我国的湍流研究始于周培源先生1940—1945年建立的湍流基础理论,由纳维-斯托克斯方程出发采用统计理论证明湍流流场的统计特性。脉动压力与脉动速度的互相关量为零时,为各向同性湍流,脉动压力对湍流的作用为零;而当脉动压力梯度和脉动速度的互相关量为零时,产生以脉动压力为主导的强湍流。

1958年周培源先生和钱学森先生合作,在北京大学建成我国第一座大型低速湍流风洞,并对脉动压力有关湍流特性的重要作用做了必要的研究。风洞在流场校测中气流品质优良,湍流度可控制到万分之五以下。但是当实验段风速增至45 m/s时,流场转化为以脉动压力主导的强湍流流动, 数米范围内人体无法接近,有强烈的声辐射使实验大厅四壁产生强烈的振动。这种以脉动压力主导的强湍流流动是周培源理论中脉动压力梯度和脉动速度的互相关量趋于零时的极限状态。提高互相关量可控制这种以脉动压力为主导的强湍流现象。因此,在实验段进口处沿周向均匀安装了12块矩形插板并逐步进入实验段气流,这样以脉动压力主的强湍流逐渐消失了。这是我国在湍流基础研究中第一次大型实验,是周培源和钱学森两位流体力学泰斗合作完成的重大研究成果和理论上的突破。七十年来大风洞完成的大量航空领域中的课题和风工程实验都是“带板运行”。

1972年起国家强调基础理论研究。周培源先生在北京大学力学系组织了“湍流在国计民生重大课题中的应用”的学科调查,形成基础理论和实际结合的第二次湍流实验研究高潮。在首钢转炉氧气顶吹的实验模拟中证明:以脉动速度为主的顶吹射流使液面呈碗状; 而以脉动压力为主的射流在液面形成囊状空穴,射流中的氧气透过液面形成的无数氧气小气泡迅速在整个液体中全面扩散。这也进一步证明以脉动压力主导和以脉动速度主导的两种湍流特性的区别。

此外,针对大型冷却塔等高层建筑的风毁事件,按照周培源理论中脉动压力的牛顿势,在风洞中构建千分之一缩尺比的大气边界层模型,准确模拟了实验模型的湍流分离和相应的风荷载,开创了我国风工程学科的研究。随后,环境科学中的湍流扩散、多相流的离散相湍流、热湍流、湍流逆转捩、风工程、虎门悬索桥风振以及湍流测量技术等湍流基础研究全面展开。

1975年起周培源先生和约翰·霍普金斯大学、麻省理工学院、加州理工学院等名校建立了“关于网格湍流衰变规律”等课题的合作交流。1978年派出首批访问学者。1980—1982年在南加州大学和J. Laufer教授合作开展湍流声产生机制的研究。在气动声学中按照Lighthill理论,空气动力声产生的基本方程中声源项是脉动雷诺应力; 而按照周培源湍流理论,脉动雷诺应力是脉动压力的泊松方程的驱动项,由此产生的脉动压力场才是真正的声源项。在这湍流和气动声学两大学科的主要奠基人之间的国际性大辩论中,周培源理论通过系列的实验得到了证明,这就是周培源理论的第三次大型湍流实验研究。

周培源理论认为,湍流是脉动压力和脉动速度两种独立随机变量相互作用的产物。如何用脉动压力和脉动速度的互相关量计算脉动速度的高阶矩,主要是计算力学问题。如何研究脉动压力梯度和脉动速度之间各种互相关条件下湍流平均流场和各阶矩的湍流特性变化是实验力学课题。笔者回顾七十年来关于湍流认识的逐步深化,简要总结了周培源理论及其实验研究成果,汇集成第五篇湍流及相关实验研究增补于此。

 颜大椿

 2023年7月

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