第三代渦識別方法及其應(yīng)用綜述
發(fā)布時間：2021-09-28 04:33
根據(jù)Liu等的劃分,渦識別方法的發(fā)展可以分為三代。第一代方法基于渦量,并將Cauchy-Stokes分解得到的速度梯度張量反對稱部分（渦量張量）視為旋轉(zhuǎn)。然而眾多研究人員已發(fā)現(xiàn)渦量與渦的關(guān)聯(lián)性并不是很高。為了克服第一代方法的缺陷,以Q、l2、D和lci等方法為代表的第二代渦識別方法應(yīng)運而生。但是第二代方法在實際使用中依賴于與具體算例相關(guān)的閾值并且會被剪切影響。為了解決閾值問題,2016年發(fā)展起來的■方法將渦定為渦量大于變形的聯(lián)通區(qū)域并以相對值表示。而2017年和2018年發(fā)展起來的Liutex向量則提供了一個系統(tǒng)化數(shù)學(xué)化的流體局部剛體轉(zhuǎn)動定義,包括局部旋轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)動強度,■方法,Liutex向量及一系列有關(guān)方法被定義為第三代渦識別方法。該文回顧了三代渦識別方法的發(fā)展歷程,系統(tǒng)討論了如何精確地從流體運動中分解得到剛性旋轉(zhuǎn)部分,重點介紹由美國德州大學(xué)阿靈頓分校劉超群教授及其團隊主導(dǎo)的第三代渦識別方法所取得的突破及其應(yīng)用。主要突破包括:①■渦識別方法克服了傳統(tǒng)渦識別方法需要針對具體流動調(diào)整閾值的問題,并能同時捕捉到強渦和弱渦;②基于Liutex的思想...
【文章來源】：水動力學(xué)研究與進展（A輯）. 2019,34(04)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：17 頁
【部分圖文】：
均勻剪切層的Cauchy-Stokes分解Fig.1Cauchy-StokesDecompositionoffreeshearflow
王義乾，等：第三代渦識別方法及其應(yīng)用綜述417量絲/渦量管的強度不變；②渦量管不能在流體中終端，而只能結(jié)束于流場邊界處或者形成閉合的曲線；③如果流體初始無旋，并且體積力有勢，那么流體將保持無旋。注意這里談到的無旋實際指的是流場不存在旋度，即渦量，有旋代表存在渦量但不代表有旋轉(zhuǎn)。亥姆霍茲三定律被認(rèn)為是使用渦量來識別和探索渦的基矗Saffman[16]將渦定義為由無旋流體包圍的渦量區(qū)域，Nitsche[17]也認(rèn)為渦量可以用來衡量渦的強度，Wu等[18]將渦定義為流場中渦量集中的區(qū)域。盡管仍將渦量，及基于渦量的渦量線、渦量絲和渦量管作為渦定義的概念仍廣泛存在，尤其是在多數(shù)教科書中仍對渦量和渦不加以區(qū)分，但與上文提到的均勻剪切層類似，層流邊界層是一個更實際的反例。顯然在層流邊界層壁面附近存在著巨大的渦量，但流體沒有任何的旋轉(zhuǎn)運動。Robinson[3]指出，在湍流邊界層中，尤其是在壁面附近，渦量集中的區(qū)域與渦結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系相當(dāng)微弱。Wang等[19]也在邊界層轉(zhuǎn)捩中發(fā)現(xiàn)，相較于鄰近區(qū)域，渦反而在渦核處渦量較小，如圖2所示。另外，圖3給出了渦的渦量線和渦結(jié)構(gòu)分布，可以看到二者明顯不同，無論是方向還是大小，渦量都無法正確地捕捉渦結(jié)構(gòu)。注意在圖2和圖3中，渦結(jié)構(gòu)的識別采用的是渦識別方法，其識別結(jié)果與實驗中對相應(yīng)渦結(jié)構(gòu)的顯示相一致。以上結(jié)果表明渦量和渦是兩個不同的概念，不能簡單地使用渦量來識別渦結(jié)構(gòu)。2第二代渦識別方法渦量和渦顯然是兩個不同的概念，因此第一代基于渦量的渦識別不能達到令人滿意的效果。為了能更有效地識別渦結(jié)構(gòu)，人們提出了Q、2、和ci等方法。盡管其理論基礎(chǔ)各不相同，但可以將Q和2方法理解為對Cauchy-S
王義乾，等：第三代渦識別方法及其應(yīng)用綜述417量絲/渦量管的強度不變；②渦量管不能在流體中終端，而只能結(jié)束于流場邊界處或者形成閉合的曲線；③如果流體初始無旋，并且體積力有勢，那么流體將保持無旋。注意這里談到的無旋實際指的是流場不存在旋度，即渦量，有旋代表存在渦量但不代表有旋轉(zhuǎn)。亥姆霍茲三定律被認(rèn)為是使用渦量來識別和探索渦的基矗Saffman[16]將渦定義為由無旋流體包圍的渦量區(qū)域，Nitsche[17]也認(rèn)為渦量可以用來衡量渦的強度，Wu等[18]將渦定義為流場中渦量集中的區(qū)域。盡管仍將渦量，及基于渦量的渦量線、渦量絲和渦量管作為渦定義的概念仍廣泛存在，尤其是在多數(shù)教科書中仍對渦量和渦不加以區(qū)分，但與上文提到的均勻剪切層類似，層流邊界層是一個更實際的反例。顯然在層流邊界層壁面附近存在著巨大的渦量，但流體沒有任何的旋轉(zhuǎn)運動。Robinson[3]指出，在湍流邊界層中，尤其是在壁面附近，渦量集中的區(qū)域與渦結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系相當(dāng)微弱。Wang等[19]也在邊界層轉(zhuǎn)捩中發(fā)現(xiàn)，相較于鄰近區(qū)域，渦反而在渦核處渦量較小，如圖2所示。另外，圖3給出了渦的渦量線和渦結(jié)構(gòu)分布，可以看到二者明顯不同，無論是方向還是大小，渦量都無法正確地捕捉渦結(jié)構(gòu)。注意在圖2和圖3中，渦結(jié)構(gòu)的識別采用的是渦識別方法，其識別結(jié)果與實驗中對相應(yīng)渦結(jié)構(gòu)的顯示相一致。以上結(jié)果表明渦量和渦是兩個不同的概念，不能簡單地使用渦量來識別渦結(jié)構(gòu)。2第二代渦識別方法渦量和渦顯然是兩個不同的概念，因此第一代基于渦量的渦識別不能達到令人滿意的效果。為了能更有效地識別渦結(jié)構(gòu)，人們提出了Q、2、和ci等方法。盡管其理論基礎(chǔ)各不相同，但可以將Q和2方法理解為對Cauchy-S
【參考文獻】：
期刊論文
[1]A selected review of vortex identification methods with applications[J]. 張宇寧,裘勖,陳飛鵬,劉凱華,張宇寧,董祥瑞,Chaoqun Liu. Journal of Hydrodynamics. 2018(05)
[2]Determination of epsilon for Omega vortex identification method[J]. 董祥瑞,王義乾,陳小平,Yinlin Dong,張宇寧,Chaoqun Liu. Journal of Hydrodynamics. 2018(04)
[3]Analysis of the vortices in the inner flow of reversible pump turbine with the new omega vortex identification method[J]. 張宇寧,劉凱華,李金偉,冼海珍,杜小澤. Journal of Hydrodynamics. 2018(03)
[4]New omega vortex identification method[J]. ChaoQun Liu,YiQian Wang,Yong Yang,ZhiWei Duan. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(08)
本文編號：3411247
【文章來源】：水動力學(xué)研究與進展（A輯）. 2019,34(04)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：17 頁
【部分圖文】：
均勻剪切層的Cauchy-Stokes分解Fig.1Cauchy-StokesDecompositionoffreeshearflow
王義乾，等：第三代渦識別方法及其應(yīng)用綜述417量絲/渦量管的強度不變；②渦量管不能在流體中終端，而只能結(jié)束于流場邊界處或者形成閉合的曲線；③如果流體初始無旋，并且體積力有勢，那么流體將保持無旋。注意這里談到的無旋實際指的是流場不存在旋度，即渦量，有旋代表存在渦量但不代表有旋轉(zhuǎn)。亥姆霍茲三定律被認(rèn)為是使用渦量來識別和探索渦的基矗Saffman[16]將渦定義為由無旋流體包圍的渦量區(qū)域，Nitsche[17]也認(rèn)為渦量可以用來衡量渦的強度，Wu等[18]將渦定義為流場中渦量集中的區(qū)域。盡管仍將渦量，及基于渦量的渦量線、渦量絲和渦量管作為渦定義的概念仍廣泛存在，尤其是在多數(shù)教科書中仍對渦量和渦不加以區(qū)分，但與上文提到的均勻剪切層類似，層流邊界層是一個更實際的反例。顯然在層流邊界層壁面附近存在著巨大的渦量，但流體沒有任何的旋轉(zhuǎn)運動。Robinson[3]指出，在湍流邊界層中，尤其是在壁面附近，渦量集中的區(qū)域與渦結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系相當(dāng)微弱。Wang等[19]也在邊界層轉(zhuǎn)捩中發(fā)現(xiàn)，相較于鄰近區(qū)域，渦反而在渦核處渦量較小，如圖2所示。另外，圖3給出了渦的渦量線和渦結(jié)構(gòu)分布，可以看到二者明顯不同，無論是方向還是大小，渦量都無法正確地捕捉渦結(jié)構(gòu)。注意在圖2和圖3中，渦結(jié)構(gòu)的識別采用的是渦識別方法，其識別結(jié)果與實驗中對相應(yīng)渦結(jié)構(gòu)的顯示相一致。以上結(jié)果表明渦量和渦是兩個不同的概念，不能簡單地使用渦量來識別渦結(jié)構(gòu)。2第二代渦識別方法渦量和渦顯然是兩個不同的概念，因此第一代基于渦量的渦識別不能達到令人滿意的效果。為了能更有效地識別渦結(jié)構(gòu)，人們提出了Q、2、和ci等方法。盡管其理論基礎(chǔ)各不相同，但可以將Q和2方法理解為對Cauchy-S
王義乾，等：第三代渦識別方法及其應(yīng)用綜述417量絲/渦量管的強度不變；②渦量管不能在流體中終端，而只能結(jié)束于流場邊界處或者形成閉合的曲線；③如果流體初始無旋，并且體積力有勢，那么流體將保持無旋。注意這里談到的無旋實際指的是流場不存在旋度，即渦量，有旋代表存在渦量但不代表有旋轉(zhuǎn)。亥姆霍茲三定律被認(rèn)為是使用渦量來識別和探索渦的基矗Saffman[16]將渦定義為由無旋流體包圍的渦量區(qū)域，Nitsche[17]也認(rèn)為渦量可以用來衡量渦的強度，Wu等[18]將渦定義為流場中渦量集中的區(qū)域。盡管仍將渦量，及基于渦量的渦量線、渦量絲和渦量管作為渦定義的概念仍廣泛存在，尤其是在多數(shù)教科書中仍對渦量和渦不加以區(qū)分，但與上文提到的均勻剪切層類似，層流邊界層是一個更實際的反例。顯然在層流邊界層壁面附近存在著巨大的渦量，但流體沒有任何的旋轉(zhuǎn)運動。Robinson[3]指出，在湍流邊界層中，尤其是在壁面附近，渦量集中的區(qū)域與渦結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系相當(dāng)微弱。Wang等[19]也在邊界層轉(zhuǎn)捩中發(fā)現(xiàn)，相較于鄰近區(qū)域，渦反而在渦核處渦量較小，如圖2所示。另外，圖3給出了渦的渦量線和渦結(jié)構(gòu)分布，可以看到二者明顯不同，無論是方向還是大小，渦量都無法正確地捕捉渦結(jié)構(gòu)。注意在圖2和圖3中，渦結(jié)構(gòu)的識別采用的是渦識別方法，其識別結(jié)果與實驗中對相應(yīng)渦結(jié)構(gòu)的顯示相一致。以上結(jié)果表明渦量和渦是兩個不同的概念，不能簡單地使用渦量來識別渦結(jié)構(gòu)。2第二代渦識別方法渦量和渦顯然是兩個不同的概念，因此第一代基于渦量的渦識別不能達到令人滿意的效果。為了能更有效地識別渦結(jié)構(gòu)，人們提出了Q、2、和ci等方法。盡管其理論基礎(chǔ)各不相同，但可以將Q和2方法理解為對Cauchy-S
【參考文獻】：
期刊論文
[1]A selected review of vortex identification methods with applications[J]. 張宇寧,裘勖,陳飛鵬,劉凱華,張宇寧,董祥瑞,Chaoqun Liu. Journal of Hydrodynamics. 2018(05)
[2]Determination of epsilon for Omega vortex identification method[J]. 董祥瑞,王義乾,陳小平,Yinlin Dong,張宇寧,Chaoqun Liu. Journal of Hydrodynamics. 2018(04)
[3]Analysis of the vortices in the inner flow of reversible pump turbine with the new omega vortex identification method[J]. 張宇寧,劉凱華,李金偉,冼海珍,杜小澤. Journal of Hydrodynamics. 2018(03)
[4]New omega vortex identification method[J]. ChaoQun Liu,YiQian Wang,Yong Yang,ZhiWei Duan. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(08)
本文編號：3411247
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