机械工程学院博士研究生牛琳在湍流研究方面取得新进展

近期，机械工程学院博士研究生牛琳以第一作者在流体力学领域国际著名期刊《Physics of Fluids》发表22页研究论文《Turbulence generation inthetransitional wakeflowbehind a sphere》（圆球绕流尾迹转捩流动中湍流的产生），通讯作者为导师窦华书教授。

湍流是经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题。国际科学界对此问题已经进行了长达140多年的研究，科学家认为湍流的物理问题至今没有解决。著名航空专家庄逢甘院士曾提出湍流问题是国防科技领域“卡脖子”的科学问题。湍流研究涉及航空航天、大气科学、流体机械、能源工程、化工技术、环境科学、生命科学等领域。

在以前的研究中，研究人员把湍流剪切流动分为壁面剪切湍流和自由剪切湍流，并且认为在这两种流动中湍流产生的机理不同。上个世纪60年代，斯坦福大学的研究团队通过实验研究发现，壁面剪切流动中湍流的产生是由于“猝发”现象。对于自由剪切流动中湍流的产生，研究人员认为与Kelvin-Helmholtz无粘不稳定性有关，至于自由剪切流动中湍流是怎么产生的，至今也不清楚。

本文用计算流体力学的大涡模拟数值方法研究了圆球绕流尾迹的转捩流动中湍流的产生机理。数值模拟结果表明，尾流中的旋涡结构为发夹涡结构，与边界层流动中的流动结构是相似的。研究发现尾迹流动中湍流产生的机制是流向速度的间断引起的Navier-Stokes方程的奇异性。尾迹流动中存在一个“类孤立波”的拟序结构。这些结果表明自由剪切湍流与壁面剪切湍流的物理机理是相同的，同时验证了窦华书教授提出的能量梯度理论同时适用于壁面剪切流动和自由剪切流动，湍流产生完全由Navier-Stokes方程唯一地决定，此理论与所有能得到的各种类型几何形状的流动实验数据获得了一致。

本研究发现了自由剪切流动中湍流的产生机理是Navier-Stokes方程的奇点导致的，这对其他类型的自由剪切流动中湍流的研究奠定了基础，在基础研究和工程技术方面将得到进一步广泛应用。