[科普中国]-猝发现象

定义

猝发现象是指边界层内外区之间强烈地相互作用时，边界层在空间某个位置上会突然发生局部破裂的现象。即从条带结构到速度剖面的扭曲，再到流场振荡和展向涡旋的产生，最后到条带结构的破碎。1

湍流猝发现象湍流是具有时空多尺度结构的非线性场，有序和无序的结构在各种尺度上交错叠加，构成了湍流的复杂性.借助于子波分析这一数学工具，我们可以对湍流场中的各种尺度结构进行统计刻画。与传统的Fourier分析相比，子波分析用具有局部性的类似涡结构的子波函数代替了不同频率的简谐波作为基函数，可以在不同尺度上观察湍流信号中不同时空位置的结构，因此有数学显微镜的美誉，在对湍流拟序结构的分尺度分析上具有明显的优势。Argoul等(1989)用子波分析高雷诺数风洞湍流的速度场，用空间尺度分析给出了Richardson能级的直观显示Everson等(1990)用子波分析了中等雷诺数下湍流射流二维染色浓度数据，显示出该标量内部结构的尺度相似性子波分析自被提出以来，在湍流分析中已经取得了初步的成果，可以预见它对我们深入认识湍流这一复杂系统有很重要的意义。

在壁湍流中，低速流体的上抛现象和高速流体的下扫现象并称为猝发现象。研究发现，几乎所有近壁区的雷诺应力是在猝发过程中产生的，伴随着猝发现象，常有流向涡出现，因此猝发现象在湍流的产生和输运中起着重要的作用，是近壁区湍流重要的一种拟序运动。

将子波方法用于碎发检测还是比较新的尝试.Liandrat和Morlet-Bailly利用一维倒墨西哥帽实值子波分析了受热壁面附近湍流边界层中的流向脉动速度，并与VITA法做了比较，研究了湍流能量在不同尺度上的分布，指出在两个尺度上的信号占有湍流最大能量，因此认为这两个尺度上的结构是边界层中的主要结构，并对应着碎发过程中的上抛和下扫事件.姜楠、王振东、舒玮采用类似的方法对用热膜测速仪得到的平板湍流边界层中流向脉动速度信号进行了研究，提出了确定壁湍流猝发事件时间尺度的能量最大准则，并用子波逆变换得到了猝发事件对应的速度信号波形。需要指出的是他们处理的都是实验测量的信号，无法得到极近壁区的信号，且只考虑了流向脉动速度。2

剪切水气界面下的湍流碎发现象背景物质、热量和动量通过液体一气体交界面进行传输是自然界和工程实际中广泛存在的现象。化学工业中的吸附、蒸发和冷凝等基本工艺过程直接涉及气液两相之间的传质、传热人气与海洋、湖泊等水体之间的水气、能量、动量交换是地球流体环境中最基本的相互作用，关系到人们对于气象、气候、环境及灾害等重大问题的认识。一般来说，气液界面处的传输过程，特别是不易溶解的气体，如二氧化碳和氧气的传输，决定于液相一力的传输速度，而界面附近的湍流运动又是控制传输速度的关键因素。由于气液界面湍流本身的复杂性诸如上述这些重要问题，长期以来不得不主要依靠经验和实际量测来应付。随着化学等工业的发展和人们对地球环境的日益关注，对气液界面附近湍流结构的研究受到了特别重视。

在过去的40年里，存在于固壁附近湍流边界层中的各类相干结构(coherem structure)现象一直吸引着众多的研究者。尽管对这些结构的产生、发展、维持机制等尚未达到普遍的共识，相干结构与计算模型的结合问题也没有得到解决，毕竟人们对固壁湍流的认识已经相当深入，许多迹象表明湍流猝发(bursting) 事件是湍流Reynolds应力的主要贡献者，相干结构贯穿于湍流产生和维持的整个过程，对于湍流混合、物质和热输运、噪声及摩阻都有至关重要的影响。

相关研究液体一气体交界面作为流体运动的另一种重要边界，具有可滑移、易变形等区别于刚性固壁的特点。这也使得此类物质界面处湍流的观测面对更多的困难。从80年代，才陆续出现了对于水一气界面附近湍流的仔细观测。Nezu和Rodi 、 Dickev、Komori等对液体自由表面附近的湍流强度分布等进行了测量。Dickey和Komori实验结果都表明，在靠近界面的区域，湍流行为的最显著特征是垂直自由面的揣流脉动受到抑制，而平行脉动分量相反得到加强。在零剪切条件下，气液界面处并没有猝发之类的湍流结构产生门。因而此时的研究重点实际上是考察远离界面区域产生的湍流在自由表面附近的行为特性。Rashidi和Banerjee、 Kumar等的明渠流动实验(湍流产生于底部固壁边界)，Bromley和Jirka对于格栅湍流(湍流由浸没的振动格栅产生)在自由表面附近特征的研究，是这方面的代表性工作。Komori等在风浪槽实验中同步观察了不发生风生波破碎时，波动水一气界面两侧的湍流结构。Rashidi和Banerjee沿用固壁湍流边界层相干结构的研究思路，对受剪切但无波动的水气界面下的湍流结构进行了初步实验。他们发现，当界面上的剪切率足够大时，类似固壁边界那样，在水流与气流的交界面附近也出现快慢流体条带(streak)和辞发等结构甚至无量纲化的慢条带平均间距和碎发周期也与固壁情况基本相同不过，需要指出的是，在Rashidi和Ban州ee的实验中，明渠水流深度小于3.5 cm，水面湍流结构难免受到固体底边界处产生的湍流的影响，独立产生于剪切气液界面的湍流结构没有得到深入研究。

中国科学院力学研究所王双峰等研究发现，当风速不小于2.63m/s时，水一气界面下的边界层流动主要由高度间歇性的湍流拌发事件控制。虽然猝发过程的具体实现中流动形态并不是确定的，但都具有以下一些基本特征:（1）受慢条带的影响，边界层垂向瞬时速度剖面出现拐点，流动变得不稳定;（2）变形的速度剖面下游产生复杂的流向、横向及垂向祸运动;（3）大尺度涡运动最终在下游破碎，流动进入小尺度混乱状态。碎发造成的扰动可深入到比平均边界层厚度大数倍的地方，结束后流速剖面恢复常态，边界层内流动趋于平静，直到新的猝发事件发生。3