加速湍流管流中均匀动量区的瞬态特性研究

《Journal of Fluid Mechanics》：Uniform momentum zones in accelerating turbulent pipe flow

本刊推荐：为揭示非定常湍流管流的结构演化规律，研究人员针对快速加速湍流管流中均匀动量区（UMZ）的瞬态特性开展研究。通过直接数值模拟（DNS）分析从初始摩擦雷诺数Reτ,0=500加速至Reτ,1=670的流动过程，发现UMZ数量在加速阶段先减少后恢复，且近壁区UMZ优先响应流动不稳定性。该研究首次揭示了UMZ在非定常流动中的分层结构保持性和象限行为稳定性，为理解瞬态湍流大尺度运动提供新视角。

　　

当我们拧开水龙头，水流从平稳变为湍急的瞬间，管道内的流动经历了怎样复杂的结构变化？在日常生活中，管道输送系统很少保持完全稳定的流动状态，而加速或减速的瞬态过程往往蕴含着与稳态流截然不同的物理特性。尽管稳态湍流管流已被广泛研究，但关于非定常湍流，特别是快速加速过程中大尺度相干结构的演化规律，仍是流体力学领域的认知空白。

在这项发表于《Journal of Fluid Mechanics》的研究中，Isuru Chinthana Gunaratne等人将目光投向湍流中的“均匀动量区”（Uniform Momentum Zones, UMZ）——这些是壁面湍流中具有相对均匀动量的分层组织区域，其边界处存在强烈的涡旋活动。研究人员利用Guerrero等人（2021）建立的直接数值模拟（DNS）数据集，首次系统分析了从初始摩擦雷诺数Re_τ,0=500加速至Re_τ,1=670的快速加速湍流管流中UMZ的瞬态行为。

研究团队采用概率密度函数（PDF）方法识别UMZ，通过设定峰值隔离参数（F_d=0.03U_z/U_CL, F_h=0.5, F_p=25%）确保结果可比性。同时辅以内部剪切层（ISL）识别方法验证发现。象限分析则用于研究UMZ内的主导雷诺应力行为。

3.1 UMZ数量概率密度函数的瞬态特性

研究发现，在流动加速的四个阶段（惯性阶段、预过渡阶段、过渡阶段和核心松弛阶段），UMZ的平均数量呈现动态变化。惯性阶段UMZ数量保持稳定，预过渡阶段由于流动的层流化趋势，平均UMZ数量从5个降至4个，而在过渡阶段随着湍流水平的提升，UMZ数量逐渐恢复。

内部剪切层（ISL）数量的时间演化进一步佐证了这一现象：惯性阶段ISL数量基本不变，预过渡阶段降至最低，随后在过渡阶段逐渐恢复并在核心松弛阶段稳定在较高水平。这表明UMZ在流动加速过程中经历了动态重构。

3.2 瞬态阶段UMZ的演化

通过按UMZ的模态速度（u_m）大小和排名（R_i）进行分类分析，研究发现UMZ在加速过程中保持了与稳态湍流相似的分层结构特征。最快（最近核心）的UMZ始终最厚，而近壁UMZ则最先对流动不稳定性产生响应。

三维可视化分析显示，在惯性阶段UMZ1（最近核心UMZ）和UMZ2的空间范围保持相对均匀；预过渡阶段开始向壁面扩张；过渡阶段扩张更为显著，UMZ2几乎触及壁面；核心松弛阶段则逐渐恢复至类似惯性阶段的空间特征。这定量印证了UMZ在瞬态过程中的结构适应性。

3.3 UMZ内部及边界的瞬态湍流统计

条件平均的湍流统计表明，UMZ内部与外部区域呈现不同的湍流特性。惯性阶段速度剖面整体上移而湍流强度不变，符合“冻结湍流”特征；预过渡阶段近壁区速度剖面下降而湍流强度增强，反映扰动边界层增长；过渡阶段对数区速度下降，湍流强度由壁面向核心传播。

象限分析揭示了一个关键现象：无论流动如何加速，最近壁面的UMZ始终由Q2（ ejection，喷射）事件主导，而其他UMZ则由Q4（ sweep，扫掠）事件主导。这种主导行为在整个加速过程中保持不变，表明这是加速湍流壁面流动中UMZ的固有特性。

本研究通过多角度分析，首次系统揭示了加速湍流管流中UMZ的瞬态演化规律。研究发现UMZ在快速加速过程中保持分层结构，其数量变化与流动的层流化和湍流重组过程密切相关。近壁UMZ优先响应流动不稳定性，而核心区UMZ需要更长时间恢复。UMZ内部的象限主导行为在瞬态过程中保持稳定，这为理解非定常湍流中大尺度结构的动力学特性提供了重要依据。该研究不仅填补了非定常流动中UMZ研究的空白，也为相关工程应用中瞬态流动的预测和控制提供了理论基础。

附录中的验证表明，UMZ识别方案具有良好可靠性，提取区域内的流向速度标准差较低，符合UMZ的基本定义。参数敏感性测试也证实了方法的稳健性，为核心结论提供了技术保障。