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基于速度梯度张量的四元分解对若干涡判据的评价

李震 张锡文 何枫

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基于速度梯度张量的四元分解对若干涡判据的评价

李震, 张锡文, 何枫
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Evaluation of vortex criteria by virtue of the quadruple decomposition of velocity gradient tensor

Li Zhen, Zhang Xi-Wen, He Feng
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  • 本文基于速度梯度张量分析,对其中四种 判据、Q判据、 判据、ci判据的物理意义和局限性进行分析,揭示各判据常用等值面展示的涡形态或强度的实际物理意义. 首次采用基于速度梯度张量正规性的四元分解,将流体微元的运动分解为胀缩、沿正规标架的轴向变形、做平面运动和简单剪切,使得各涡判据的运动学意义更加清晰. 涡量 反映的流体微元的平均转动中总是包含简单剪切运动;Q判据可揭示流体微元在复特征向量平面上净转动相对于轴向变形的强弱,是净转动存在的充分但非必要条件; 判据能准确辨别净转动是否存在,却无法表示出净转动的强度;在净转动存在的前提下,ci可反映其绝对强度大小,净转动是复特征向量平面内正规转动和简单剪切的总和效果,正规转动是最基本的转动. 新引入的四元分解方法有利于深入了解流体的涡及其运动.
    Vortices play a crucial role in fluid dynamics, which is closely related to fluid diffusion mixing, force, heat, and noise. Five widely-used vortex identification criteria, i.e. the -criterion, Q-criterion, -criterion, ci-criterion, and 2-criterion are analyzed, and four of them are compared with each other based on the velocity-gradient-tensor decomposition method. A new quadruple decomposition method (QDM) is introduced for the first time, so far as we know, to decompose fluid motions into four fundamental components: dilatation, axial deformation along the principal axes of the strain-range sensor, planar motion, and pure shearing. This method helps make the kinematic implications of the four vortex identification criteria more clear. It is found that the mean rotation of fluid elements always contains the pure shearing motion. Non-zero mean rotation does not guarantee the existence of the spiraling streamlines, e.g. in a typically parallel shear flow. A positive Q value indicates the strength of the pure rotation of a fluid element in the 2D complex eigenvalue plane on top of the axial deformation, which however is a sufficient but not a necessary condition for the existence of pure rotation. The -criterion can correctly tell the existence of pure rotation, but cannot accurately determine its strength. The ci-value represents the absolute strength of the pure rotation, which is the combined effect of the canonical rotation in the complex eigenvector plane and the pure shearing. The proposed QDM enables us to achieve a deeper understanding of vortices and motions in fluid dynamics.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号:2012CB720101)和国家自然科学基金(批准号:11072130)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the State Key Development Program for Basic Research of China (Grant No. 2012CB720101), and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11072130).
    [1]

    Wu J Z, Ma H Y, Zhou M D 1993 Introduction to Vorticity and Vortex Dynamics (Beijing: Higher Education Press) p221 (in Chinese) [吴介之, 马晖扬, 周明德 1993 涡动力学引论(北京: 高等教育出版社)第221 页]

    [2]

    Moffatt H K, Kida S, Ohkitani K 1994 J. Fluid Mech. 259 241

    [3]

    Jiang N, Tang Z Q 2011 Chin. Phy. Lett. 28 054702

    [4]

    Okubo A 1970 Deep-Sea. Res. 17 445

    [5]

    Hunt J C R, Wray A A, Moin P 1988 Center for Turbulence Research, Report CTR-S88 p.193

    [6]

    Weiss J 1991 Physica D 48 273

    [7]

    Cai W H, Li F C, Zhang H N 2011 Chin. Phys. B 20 124702

    [8]

    Chong M S, Perry A E, Cantwell B J 1990 Phys. Fluids A 2 765

    [9]

    ZhouJ, Adrian R J, Balach,ar S, Kendall T M 1999 J. Fluid Mech. 387 353

    [10]

    Jeong J, Hussain F 1995 J. Fluid Mech. 285 69

    [11]

    Chen L, Tang D B, Liu C Q 2011 Acta Phys. Sin. (in Chinese) 60 094702 [陈林, 唐登斌, Chaoqun Liu 2011 物理学报 60 094702]

  • [1]

    Wu J Z, Ma H Y, Zhou M D 1993 Introduction to Vorticity and Vortex Dynamics (Beijing: Higher Education Press) p221 (in Chinese) [吴介之, 马晖扬, 周明德 1993 涡动力学引论(北京: 高等教育出版社)第221 页]

    [2]

    Moffatt H K, Kida S, Ohkitani K 1994 J. Fluid Mech. 259 241

    [3]

    Jiang N, Tang Z Q 2011 Chin. Phy. Lett. 28 054702

    [4]

    Okubo A 1970 Deep-Sea. Res. 17 445

    [5]

    Hunt J C R, Wray A A, Moin P 1988 Center for Turbulence Research, Report CTR-S88 p.193

    [6]

    Weiss J 1991 Physica D 48 273

    [7]

    Cai W H, Li F C, Zhang H N 2011 Chin. Phys. B 20 124702

    [8]

    Chong M S, Perry A E, Cantwell B J 1990 Phys. Fluids A 2 765

    [9]

    ZhouJ, Adrian R J, Balach,ar S, Kendall T M 1999 J. Fluid Mech. 387 353

    [10]

    Jeong J, Hussain F 1995 J. Fluid Mech. 285 69

    [11]

    Chen L, Tang D B, Liu C Q 2011 Acta Phys. Sin. (in Chinese) 60 094702 [陈林, 唐登斌, Chaoqun Liu 2011 物理学报 60 094702]

  • [1] 谭维翰, 赵超樱, 郭奇志. N量子比特系统的纠缠判据. 物理学报, 2023, 72(1): 010301. doi: 10.7498/aps.72.20221524
    [2] 刘良友, 高嵩, 李莎, 李兆同, 夏一帆. 磁共振扩散张量成像中扩散敏感梯度磁场方向分布方案的研究进展. 物理学报, 2020, 69(3): 038702. doi: 10.7498/aps.69.20191346
    [3] 胡金秀, 高效伟. 变系数瞬态热传导问题边界元格式的特征正交分解降阶方法. 物理学报, 2016, 65(1): 014701. doi: 10.7498/aps.65.014701
    [4] 郭广明, 刘洪, 张斌, 张忠阳, 张庆兵. 混合层流场中涡结构对流速度的特性. 物理学报, 2016, 65(7): 074702. doi: 10.7498/aps.65.074702
    [5] 吕俊伟, 迟铖, 于振涛, 毕波, 宋庆善. 磁梯度张量不变量的椭圆误差消除方法研究. 物理学报, 2015, 64(19): 190701. doi: 10.7498/aps.64.190701
    [6] 高嵩, 朱艳春, 李硕, 包尚联. 核磁共振水分子扩散张量成像中基于广义Fibonacci数列的扩散敏感梯度磁场方向分布方案. 物理学报, 2014, 63(4): 048704. doi: 10.7498/aps.63.048704
    [7] 于振涛, 吕俊伟, 毕波, 周静. 四面体磁梯度张量系统的载体磁干扰补偿方法. 物理学报, 2014, 63(11): 110702. doi: 10.7498/aps.63.110702
    [8] 黄小霞, 高福华, 袁强, 胡东霞, 张崑, 周维, 代万俊, 邓学伟. 动态聚焦中小焦斑的波前判据. 物理学报, 2013, 62(20): 205206. doi: 10.7498/aps.62.205206
    [9] 毕传兴, 郭明建, 张永斌, 徐亮. 基于声压梯度参考的部分场分解方法及实验研究. 物理学报, 2012, 61(15): 154301. doi: 10.7498/aps.61.154301
    [10] 贾宁, 马寿峰. 最优速度模型与元胞自动机模型的比较研究. 物理学报, 2010, 59(2): 832-841. doi: 10.7498/aps.59.832
    [11] 刘扬正, 林长圣, 王忠林. 新的切换四涡卷超混沌系统及其电路实现. 物理学报, 2010, 59(12): 8407-8413. doi: 10.7498/aps.59.8407
    [12] 刘启佳, 邵勇, 吴真龙, 徐洲, 徐峰, 刘斌, 谢自力, 陈鹏. 生长温度对AlGaInN四元合金薄膜性质的影响. 物理学报, 2009, 58(10): 7194-7198. doi: 10.7498/aps.58.7194
    [13] 兰旭东. 混合算法中的耦合判据. 物理学报, 2009, 58(12): 8415-8418. doi: 10.7498/aps.58.8415
    [14] 王立锋, 滕爱萍, 叶文华, 范征锋, 陶烨晟, 林传栋, 李英骏. 超声速流体Kelvin-Helmholtz不稳定性速度梯度效应研究. 物理学报, 2009, 58(12): 8426-8431. doi: 10.7498/aps.58.8426
    [15] 王发强, 刘崇新, 逯俊杰. 四维系统中多涡卷混沌吸引子的仿真研究. 物理学报, 2006, 55(7): 3289-3294. doi: 10.7498/aps.55.3289
    [16] 千正男, 隋 郁, 刘玉强, 柳祝红, 刘国栋, 张 铭, 崔玉亭, 陈京兰, 吴光恒. 四元Heusler合金NiMnFeGa中Fe原子的磁性贡献. 物理学报, 2003, 52(9): 2304-2308. doi: 10.7498/aps.52.2304
    [17] 禹思敏, 林清华, 丘水生. 四维系统中多涡卷混沌与超混沌吸引子的仿真研究. 物理学报, 2003, 52(1): 25-33. doi: 10.7498/aps.52.25
    [18] 姚德民, 郭光灿. 非经典态光场的判据. 物理学报, 1988, 37(3): 463-469. doi: 10.7498/aps.37.463
    [19] 王京汉, 程先安, 王绪威, 陈秉玉, 李德修, 陈金昌. 二元非晶态合金结构模型化的Rt判据. 物理学报, 1986, 35(10): 1383-1389. doi: 10.7498/aps.35.1383
    [20] 王文魁. A15相稳定性的判据. 物理学报, 1979, 28(3): 435-442. doi: 10.7498/aps.28.435
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-10-09
  • 修回日期:  2013-11-27
  • 刊出日期:  2014-03-05

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