密度界面附近流动复杂,本文采用湍流统计理论、谱分析和快速畸变理论研究稳定分层二层流非湍流/湍流层无平均剪切密度界面处的湍流,给出了界面附近流动特性以及密度界面对湍流的作用规律。分别在密度界面厚度(h)可忽略和很薄二种情况下,推导出了任意理查森数(Ri)、Ri-∞时,湍流层中水平、垂直方向速度的欧拉频谱和水平、垂直方向均方根速度的积分表达式。在h可忽略情况下,(1)任意Ri、Ri→∞时,密度界面对大尺度涡的影响显著,而对小尺度涡几乎没影响;距离密度界面越近,湍流层中水平方向均方根速度增大而垂直方向均方根速度减小;(2)任意R且在无量纲频率较大时,密度界面处、湍流层中水平、垂直方向速度的欧拉频谱满足-5/3幂次律,但是,它们不收敛于同一直线,表明密度界面处部分湍流转化为内波。在h很薄的情况下,(i)在水平方向上密度界面对湍流无显著的影响;湍流层中垂直方向速度的欧拉频谱出现过渡区,不满足-5/3幂次律,其幂次律增大,表明湍流过渡区的能量减少,但是,密度界面对线性小尺度涡仍几乎无影响;(ii)距离密度界面越远,密度界面厚度对湍流的影响减弱并且偏向于线性中尺度涡;当远离密度界面时,过渡区消失,表明考虑密度界面厚度后密度界面对湍流的影响范围有限;(iv)密度界面处垂直方向速度的欧拉频谱的幂次律减小,表明密度界面处线性内波的能量向线性低频区集中;(v)随着密度界面厚度增加,密度界面处垂直方向速度的欧拉频谱在整个线性内波频域里等幅度减小,湍流层中垂直方向速度的欧拉频谱只在线性低频区域减小且减小的幅度随着频率增大而减小;此外,密度界面对湍流层中水平、垂直方向均方根速度影响的垂向范围随Ri增大而减小。基于Baumert(2005)分层湍流的一维K-Ω模型,计算两种密度分布情形下湍动能与内波能量的转化情况,发现层化能显著减少湍动能并迅速将其转化为内波能量。采用Fluent三维多相流混合模型,结合大涡模拟与动网格技术对无平均剪切稳定分层二层流进行了数值模拟,进一步研究了密度界面与湍流的相互作用,并与理论计算、实验结果进行了对比分析。模拟的结果显示了格栅湍流的产生和演化并反映了湍流与密度界面相互作用的早期阶段,模拟的密度界面下的水平和垂直方向均方根速度的垂直分布规律与理论计算和实验测量结果一致。