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| 編輯推薦： |
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清华大学优秀博士学位论文丛书（以下简称优博丛书）精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。优博丛书选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科*秀的博士学位论文的水平，反映了相关领域*的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的必备参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、*进展以及创新思路的有效途径。
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| 內容簡介： |
本文运用旋转强度法研究了槽道中流体流动的紊流相干结构，推导给出了二维和三维旋转强度的理论解，分析了时均剪切对涡旋识别的影响以及DNS槽道紊流中二维和三维涡旋属性的差异，建立了可用于预测方腔内污染物滞留及泥沙淤积的唯象模型。
本书适合高校和科研院所水利、力学等专业的师生阅读。
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| 目錄：
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目录
第1章引言
1.1研究的背景和意义
1.2槽道紊流紊流相干结构相干结构研究现状
1.2.1壁面紊流壁面紊流相干结构相干结构
1.2.2涡旋识别涡旋识别方法
1.2.3槽道紊流紊流的涡旋属性
1.3本文研究内容
第2章涡旋旋转强度旋转强度的理论解及应用
2.1旋转强度旋转强度理论解
2.2二维与三维旋转强度三维旋转强度的分析
2.2.1DNS槽道数据简介
2.2.2两者的统计值比较
2.2.3两者的代数关系
2.2.4两者比值与涡旋倾角涡旋倾角的关系
2.3时均剪切时均剪切对涡识别的影响
2.3.1二维槽道及Oseen涡Oseen涡案例
2.3.2三维槽道及Burgers涡Burgers涡案例
2.3.3三维DNS槽道紊流紊流数据验证
2.4小结
第3章槽道紊流紊流中涡旋的数量和尺度
3.1术语定义和计算方法
3.1.1术语定义
3.1.2涡旋的密度和半径
3.2涡旋的密度
3.2.1二维涡旋二维涡旋密度
3.2.2三维涡旋三维涡旋密度
3.3涡旋的半径
3.3.1二维涡旋二维涡旋半径
3.3.2三维涡旋三维涡旋半径
3.4小结
第4章槽道紊流紊流中涡旋的方向
4.1术语定义和计算方法
4.2涡旋的方向
4.2.1倾角
4.2.2投影角
4.2.3倾角与投影角的JPDF
4.3形发夹涡发夹涡模型
4.4小结
第5章方腔槽道紊流紊流相干结构相干结构
5.1实验系统和实验条件
5.2多级窗口迭代的定网格图像变形算法定网格图像变形算法
5.3时均流场
5.4大尺度环流环流
5.5涡旋的空间分布
5.6PODPOD分析
5.6.1主要含能模态模态
5.6.2含能模态模态的谱分析
5.7方腔槽道紊流紊流相干结构相干结构的唯象模型唯象模型
5.8小结
第6章结论与展望
6.1结论
6.2创新点
6.3展望
参考文献名
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| 內容試閱：
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导师序言自然界和工程中绝大部分流动都是紊流，例如地球大气层的运动、海洋中的洋流和湾流、河流湖泊中的水流、燃烧过程中的热流等。相比分子布朗运动的输运作用，紊流对热量、物质及动量的输运能力要高三个量级以上，紊流的研究对流体力学基础理论和工程应用都具有重要价值。早期的研究（19101940年）将紊流作为随机现象，认为瞬时速度由平均速度及随机脉动速度叠加而成，可以利用马尔可夫过程类的随机理论进行描述。随着实验及计算机技术的发展，1950年后，尤其是1990年后二维PIV（粒子图像测速）的广泛应用，通过一系列的试验，透过看似杂乱的紊动流场可以发现，紊流中蕴含着非常丰富的有组织的结构（即相干结构）。迄今为止，相干结构主要分为以下几种类型：高低速条带、喷射和清扫组成的猝发现象、涡旋结构（流向涡、发夹涡及手杖涡等）、大尺度结构和超大尺度结构。随着研究的推进，逐步认为涡旋结构是产生以上几种相干结构类型的本质原因（如发夹涡群模型）。将紊流视为涡丝的缠绕体，是全频谱内各种尺度的涡旋叠加的结果，很多紊流现象都可以用涡动力学进行解释。虽然在过渡流及人工激振流中比较容易识别涡旋结构，但在常规紊流中，由于涡旋结构被淹没在杂乱的紊动场中，较难捕捉及提取。针对如何提取涡旋结构，前人进行了大量的研究，主要方法可以归纳为三类： （1）建立在直观理解基础上的经典方法，如旋转的流线；（2）建立在各种理想模型上的模式匹配法，如Oseen涡模型法；（3）建立在局部速度梯度张量基础上的参数阈值法，如第二不变量、梯度矩阵的判别式及旋转强度。由于经典法和模式匹配法的局限性，参数阈值法应用更为广泛，其中又以旋转强度最为突出；旋转强度法具有明确的物理意义，能区分背景剪切，提取涡旋的旋转平面及旋转角速度，且涡结构可视化时对阈值的要求较低。迄今为止，研究人员几乎普遍采用数值方法计算旋转强度，除个别文献提到倾斜平面内二维旋转强度的表达式外，几乎没有关于三维旋转强度显式理论解的报道，更没有与之相关的应用研究，仅凭数值解很难定量研究其他因素对旋转强度及与之相关的涡旋结构识别的影响。有鉴于此，本论文推导得出旋转强度的理论解，应用于研究时均剪切对涡旋识别的影响，并分析了二维与三维旋转强度的联系及两者在提取涡旋结构属性方面的差异。该论文的主要创新成果包括：（1） 首次推导得出了旋转强度的理论解及用于表征涡旋方向的实特征向量的理论解；（2） 首次得出时均流速梯度影响涡旋识别的作用项及影响条件（当时均剪切强度大于逆向涡旋中心涡量的一半时，将无法在瞬时流场中识别此涡旋）；（3） 首次得出了二维和三维旋转强度的理论关系，并得出槽道紊流中二维旋转强度及线变形率对三维旋转强度的贡献率；（4） 首次同时对槽道紊流中三个切面内二维与三维涡旋的密度、半径及方向进行对比，分析两者的联系及差异。这些创新成果，将有助于深入理解涡旋提取方法及涡旋三维结构形态。泥沙的运动与水流紊动密切相关，紊流的许多研究成果都可以用来分析泥沙的运动。关于涡旋结构和泥沙输移的相互作用，前人已进行了不少研究，但主要停留在用涡旋假说去定性地解释物理现象，如发夹涡群引发紊动猝发（喷射和清扫），进而导致泥沙的起悬和输移。关于两者的定量研究很少，如涡旋结构与泥沙颗粒的相对空间位置分布，涡旋结构与泥沙浓度分布的定量关系等问题都尚未进行探索。利用已有的涡旋结构理论及分析结果，深入研究这些问题，对于突破传统的泥沙输移及扩散理论具有重要的意义，对提升现有泥沙数学模型的预测精度也有重要价值。
王兴奎〖〗清华大学水利水电工程系〖〗2016年4月
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