【摘 要】
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湍流是世界性难题,湍流涡更是神秘难解。因而对涡的定义与识别的探索显得尤为重要,近年来Liutex基于纯刚性转动对涡进行了全新的定义,并提出了相应的Liutex涡识别方法,开始在许多领域得到了应用和验证。因而,本文采用Liutex涡识别方法和我们提出的四种新涡识别方法对边界层流动、圆柱卡门涡街进行了涡结构识别,同时基于Liutex进行了相关动力学研究。具体研究内容和成果如下:（1）首先利用Liute
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湍流是世界性难题,湍流涡更是神秘难解。因而对涡的定义与识别的探索显得尤为重要,近年来Liutex基于纯刚性转动对涡进行了全新的定义,并提出了相应的Liutex涡识别方法,开始在许多领域得到了应用和验证。因而,本文采用Liutex涡识别方法和我们提出的四种新涡识别方法对边界层流动、圆柱卡门涡街进行了涡结构识别,同时基于Liutex进行了相关动力学研究。具体研究内容和成果如下:（1）首先利用Liutex涡识别方法对平板边界层流动过程涡结构进行了识别,总结了平板边界层流动从转捩到湍流的涡结构特征及其演化规律。然后利用Liutex对圆柱绕流的涡结构进行了识别,发现Liutex的涡识别方法能很好用于圆柱绕流涡结构的识别。（2）基于涡量在表达流体微团转动中的问题进行了分析,提出了新涡量和新应变率的定义。新定义认为只有当涡量与应变率分量中包含的两项梯度之积为负时,流体绕该方向才能代表旋转;两项速度梯度之积非负时,流体才有剪切。基于此,我们将涡量,Q方法与Ω方法进行修改并提出三种新的涡识别方法,即新涡量法、新Q法和新Ω法。（3）对新涡量分量中两项速度梯度的大小进一步讨论分析,提出了一种基于真正刚性转动的涡识别方法,称为方法。此方法定义新涡量分量包含的两项速度梯度中绝对值小的那项代表旋转,而所有情况（同号、异号、至少一项为0）下两项速度梯度之和都代表剪切。（4）借助MATLAB和Tecplot的强大的数据处理能力和便捷的图形功能,利用各种涡识别方法对边界层转捩及边界层湍流进行涡结构识别,结果显示本文提出的四种涡识别方法（新涡量法、新Q方法、新Ω方法以及方法）对平板边界层中的涡结构能够较好的识别,也一定程度的证明了我们的新涡量和新应变率的定义的合理性。然后,利用效果极好方法对平板边界层转捩前端区域中不同阈值下出现的涡结构进行了显示与分析。（5）基于Liutex和斯托克斯假设建立了新的流动本构方程,其应变率和应力已经不再对称。同时我们推导了基于新本构方程的动量方程,与原N-S方程进行对比发现,新方程中多了一项由于Liutex刚性旋转产生的力。当流体不可压缩和不旋转时,新方程退化为N-S方程。最后利用平板边界层流动的DNS数据结果对平板上新旧粘性应力公式进行对比,结果表明两者在平板转捩与湍流部分的计算结果均基本一致。不过,该方程的合理性和可靠性还需要进一步的理论、数值和实验研究。
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