稳定分层流密度界面处湍流混合与分形结构

作者：张爽; 时钟

来源：力学学报, 2015, 47(04): 547-556.

• 稳定分层流
• 无剪切
• 密度界面
• 湍流混合
• 分形

采用室内混合箱研究稳定分层流(上层淡水、下层盐水)无剪切密度界面处的湍流混合与分形结构.湍流通过浸没在盐水层中的振动格栅产生,密度界面结构通过在盐水层中添加荧光剂或染料可视化,共进行12组实验.实验观测并记录了:(1)淡、盐水密度界面距混合箱底部的平均高程(h);(2)淡、盐水层的密度(ρ0,ρ),(3)淡、盐水密度界面.其中,淡、盐水密度界面通过照片、录像进行记录.观测结果用于计算:(1)盐水层密度;(2)卷挟速度,(3)整体理查孙数(Rio),(4)二维、三维密度界面,(5)二维、三维密度界面的分形维度.结果分析发现:(1)湍流卷挟率随Rio增大而减小,并且满足Rio的-3/2或-7/4幂律;表明随着湍流强度的减弱,混合的速度也越来越缓慢;(2)二维密度界面分形维度大于1,三维密度界面分形维度大于2;表明二维、三维密度界面存在分形结构;(3)分形维度随Rio的增大而减小;表明随着湍流强度的减弱,密度界面也越来越趋于光滑.

• 单位
  上海交通大学; 海洋工程国家重点实验室; 建筑工程学院