Спектральные методы в теории развитой турбулентности

Турбулентность — одна из самых старых и, как полагают многие, последняя из крупных нерешенных проблем классической физики, связанная в первую очередь с изучением движения газов и жидкостей. Как и во времена Галилея, сейчас больше известно о движении космических тел, отстоящих от нас на громадные расстояния, чем о движении жидкости у нас под руками. Качественно явление изучал еще Леонардо да Винчиименно он ввел в употребление термин turbolenza (лат. turbulentus — бурный, беспорядочный) — источник современного названия проблемы, а его эскизы (рис. 0.1) и комментарии до сих пор могут служить содержательным дополненим к постановке проблемы, а также эмоциональным и эвристическим импульсом к ее рассмотрению в самом широком контексте: «Water is the driving force of all nature. In rivers, the water that you touch is the last of what has passed and the first of that which comes» .

Интерес к проблеме и ее значимость во многом определяются тем, что огромное количество явлений и в природе, и в технологических процессах так или иначе связано с течениями жидкостей и газов, причем масштабы этих течений перекрывают практически весь макроскопический диапазон: от внутриклеточных процессов и циркуляционных систем живых организмов до reo — и даже астрофизических явлений. При всем их разнообразии эти течения можно разделить на два типа. Первому их них сответствуют так называемые ламинарные (от латинского laminar — пластинка, полоска) у51 сбтА-гыС^агЛдегхгйо.пЬпЦ

Рис. 0.1. Эскизы турбулентных течений, выполненные Леонардо Да Винчи. Слева — изображение падающей воды, Справа — «Потоп». потоки, которые характеризуются упорядоченной, слоистой структурой. Однако наиболее часто встречаются течения второго, гораздо более сложного, типа — турбулентные, в которых скорость, давление, температура и другие гидродинамические величины изменяются хаотично, неупорядоченно не только во времени, но и в пространстве [20]. Сложность и многогранность проблемы изучения турбулентных режимов течения проявляется даже в том, что до настоящего времени нет общепринятого, канонического определения турбулентности как явления. Известные его версии, принадлежащие таким известным исследователям, как Ричардсон (1922), Тейлор, Хинце, Брэдшоу (1971) во многом апеллируют к интуитивным представлениям и подчеркивают лишь некоторые из особенностей явления: каскад и диссипацию энергии, интенсификацию тепло — и массопереноса, растяжение вихрей, широкий спектр масштабов движения, перемежаемость. В качестве примера можно привести одну из наиболее емких и содержательных версий этого определения, принадлежащую П. Брэдшоу: «турбулентностьэто трехмерное нестационарное движение, в котором вследствие растяжения вихрей создается непрерывное распределение пульсаций скорости в интервале длин волн от минимальных, определяемых вязкими силами, до максимальных, определяемых граничными условиями течения. Она является обычным состоянием движущейся жидкости, за исключением течений при малых числах Рейнольдса» .

Первые попытки постановки проблемы турбулентности в математической и количественной форме относятся уже к новой физической истории. Это стало возможным прежде всего благодаря тому, что к середине XIX века Навье и Стоксом были выведены уравнения движения сплошной среды, принимаемые гидроаэродинамическим сообществом в качестве основы и в настоящее время. В простейшем случае, когда среда несжимаема и коэффициенты переноса постоянны, эти уравнения имеют вид: дч/дЬ + у-7у = -Чр/р + r]Av + ?

0.1).

V • V = 0.

Здесь V — скорость, р — давление, г/ и р — коэффициент кинематической вязкости и плотность жидкости, Е — плотность внешней силы.

Уравнения (0.1) — нелинейные, их изучение связано с большими трудностями и до сих пор представляет вызов математическому сообществу. Точные аналитические решения получены лишь в нескольких случаях, в основном за счет использования упрощающих, причем подчас физически спорных, предположений.

В этой связи не удивительно, что на первых порах прогресс в изучении и понимании явления был в основном связан с экспериментальными исследованиями. Среди них особую, основополагающую роль играют работы О. Рейнольдса, который, впервые 1880) систематически изучил закономерности перехода от ламинарного режима к турбулентному в круглых трубах. При этом, в частности, он установил, что переход определяется единственным безразмерным параметром Re = рУЬ/ц, где Vхарактерная скорость потока, L — характерный внешний размер, /и = rjp — коэффициент динамической вязкости жидкости. Этот параметр, названный впоследствии числом, или критерием, Рейнольдса, имеет простой физический смысл: он характеризует отношение инерционных и вязких сил, действующих на элемент жидкости. Переход к турбулентному режиму наблюдается в случае, когда Re достигает некоторого критического значения Rec (для гладких труб, например, Rec ~ 2000). Причем вначале переход проявляется в неустойчивости ламинарного течения, спонтанном искривлении линий тока, а в дальнейшем, с ростом числа Re, картина течения все более усложняется, вплоть до достижения так называемого развитого режима, характеризуемого случайным характером изменения основных параметров со временем.

Несколько позднее были проведены детальные экспериментальные исследования указанного перехода в задачах обтекания, в струях и для других типов течений. Некоторые особенности разных режимов течений иллюстрирует рис. 0.2 [138].

Обнаруженные общие закономерности и особенные черты таких переходов для конкретных типов течений позволили вычленить проблему перехода как одну из автономных в проблеме турбулентности в целом, представляющую и значительный прикладной интерес, и весьма значимую (и ab с.

Рис. 0.2. Примеры ламинарного (а), переходного (Ь) и полностью развитого © режимов теченийа — обтекание цилиндра (S.Taneda), b — пограничный слой (T.Corke, H. Nagib), с — след (S.Corrsin). во многом инспирировавшую такой важный раздел математики как теория бифуркаций) с математической точки зрения. До настоящего времени не существует единой точки зрения на механизм перехода. Среди математиков в основном конкурируют две точки зрения. Согласно первой из них (Ландау — Хопф) переход осуществляется посредством бесконечного числа последовательных бифуркаций, приводящих по мере роста значения Re ко все более сложной структуре течения со все большим числом степеней свободы. При этом после каждой бифуркации возникает возмущение с новой частотой, не кратной исходной. В рамках альтернативного подхода, опирающегося на результаты исследований маломодовых нелинейных систем, сценарий перехода совсем иной: он происходит в результате небольшого числа бифуркаций, характеризуемых короткой последовательностью устойчивое течение —> периодическое —¦" квазипериодическое—> турбулентное.

Истекшее после работ О. Рейнольдса столетие, хотя и не привело к окончательному решению проблемы турбулентности, характеризовалось столпотворением идей, подходов, открытий. Был достигнут значительный прогресс и в понимании физики происходящих процессов, и в создании алгоритмов расчета конкретных течений. В то же время остается открытым ряд вопросов и связанных с ними противоречий, например:

• в турбулентных режимах движение жидкости — случайное, хаотическое, в то же время во многих типах течений обнаружены так называемые (квазидетерминированные) когерентные структуры.

• при всей чрезвычайной сложности движения отдельных элементов жидкости и наличии огромного числа степеней свободы практически все теоретические построения основаны на использовании лишь небольшого числа тех или иных «управляющих» параметров, или се-кулярных полей.

• несмотря на наличие сильного нелинейного взаимодействия вихрей в широком спектре масштабов, значительные результаты получены с использованием маломодовых аппроксимаций, а также в рамках линейного анализа устойчивости.

В целом на данной стадии проблема представляется весьма разветвленной и становится все более междисциплинарной. Даже однозначно систематизировать направления исследований здесь достаточно трудно, но все же, следуя работе [103] можно опереться на классификацию, представленную на рис. 0.3. Согласно этой классификации основные работы проводились в рамках статистического, структурного и детерминистического подхода.

Основы первого из них были заложены еще Рейнольдсом, который предложил представлять параметры течения в виде суммы среднего (по.

Статистический подход с 'Л — to i •,. l>. .

S S 3 о о g i! 5? о, а и> r-? ? fc™ .2 s Я vG. s S.

2 ^ 5 Ю ?2 m о M.

Структурный подход и ^ ^ я Ss u ся.

•p as ^ с yj ii r-t CC irv J2.

S |l | О j ¦s J2 H и Детерминистический подход.

22 Е °.

Г" ! г g s-g s’gg&.a t, о 3 ч «ч =g М и 5 о о о о о о о а> 3 <м т со as О.

О) [Jl О) ф 01 о.

Рис. 0.3. Основные подходы в исследовании турбулентностихронология и ключевые работы. По материалам работы [103] времени или соответствующему ансамблю) и пульсационного значений. При этом, в частности, после усреднения уравнения (0.1) можно получить уравнения (RANS: Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations) для средней скорости U течения: dUi/dt + и^ = -VP/P + vm — + Fi (0.2).

Злесь и — пульсационная составляющая скорости, Р — среднее давление, по повторяющимся индексам предполагается суммирование. Это уравнение, в отличие от исходного (0.1), не является замкнутым: в его правой части в результате усреднения появилось новое слагаемое, включающее так называемый тензор напряжений Рейнольдса тц = (щщ). Эта принципиальная трудность характерна для статистического подхода в целом, ее обычно называют «проблемой замыкания» .

Интересно отметить, что истоки второго — так называемого детерминистического — подхода относятся примерно к тому же временному промежутку. Здесь прежде всего следует отметить работы Пуанкаре, который впервые показал, что даже в относительно простых нелинейных детерминированных динамических системах можно наблюдать весьма сложную временную динамику, близкую к хаосу.

В последующем развитие обоих методов также происходило достаточно синхронно. Так, в 30-ые годы XX века статистический подход получил дальнейшее развитие в работах Тейлора, Кармана и других: были введены в рассмотрение корреляционные функции и спектры турбулентности, начато систематическое изучение однородной и изотропной турбулентности. В этот же период в работах Лерэя был развит аналитический аппарат исследования уравнений НавьеСтокса и отыскания его турбулентных решений.

В 60-ые годы был достигнут значительный прогресс в экспериментальном исследовании течений различных типов и в совершенствовании статистических моделей турбулентности. Одновременно в рамках детерминистического подхода Лоренц (1963) обнаружил решения весьма редуцированной версии уравнения Навье-Стокса, которые, тем не менее, отражали многие черты, свойственные реальному турбулентному течению. Это существенно усилило интерес к проблеме «детерминированного хаоса». В то же время эти решения, связанные с понятием «странного аттрактора», при всей своей временной хаотичности, можно ассоциировать с некоторыми структурами, аналоги которых впоследствии были обнаружены в эксперименте и получили название когерентных структур. Топология одного из таких аттракторов в фазовом пространстве представлена на рис. 0.4 [103].

0.9 -1−1-1−1-1-г.

0.1 -4−1-1−1-'-'-1.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 I/ сотоопеп!

Рис. 0.4. Топология странного аттрактора, по результатам расчета одной из маломодовых аппроксимаций уравнений Навье-Стокса [103].

Исследование упомянутых структур представляет одно из основных направлений третьего — так называемого структурного — подхода. Их обычно связывают с квазидетерминированными образованиями наиболее крупного масштаба, история их изучения начинается, по-видимому с работ Тол-мена, Шлихтинга, Шубауэра, посвященных цилиндрическому течению Ку-этта. В последующем подобные структуры были обнаружены и во многих других типах течений, но долгое время их ассоциировали с неустойчивыми вихревыми образованиями, возникающими в переходном режиме, и сам факт их обнаружения объясняли недостаточно большим значением числа Рейнольдса. Лишь в конце 70-х возобладала та точка зрения, что (во всяком случае — в сдвиговых течениях) когерентные структуры существуют даже в режиме полностью развитой турбулентности [117] и, более того, именно они определяют некоторые основные особенности течений. Исследования именно в этом направлении и ассоциируют с так называемым структурным подходом. Несмотря на огромное количество экспериментальных данных, математический аппарат в рамках этого подхода пока разработан слабо.

Число работ, посвященных исследованию турбулентности в рамках каждого из трех подходов, огромно, и за последние 2−3 десятилетия растет едва ли не экспоненциально. Некоторые результаты, полученные в рамках статистического подхода, будут подробно рассмотрены в последующих главах. Развитие структурного подхода в основном по-прежнему связано с экспериментальным изучением различных типов течений, особенно пограничного слоя [55, 148] и струй [57, 81].

Что же касается детерминистического подхода, то здесь в качестве основных можно отметить следующие направления, первые два из которых уже вполне традиционны:

— Восходящие к работам О. Ладыженской фундаментальные исследования, связанные с проблемами существования, единственности, регулярности решений уравнений Навье-Стокса.

— Изучение маломодовых динамических систем, родственных уравнению Навье-Стокса. Большой вклад в развитие этого направления внесли Смейл и Арнольд. В качестве основы для аппроксимации уравнений гидродинамики здесь, как правило, используется метод Галеркина. Результатом такой аппроксимации являются так называемые системы гидродинамического типа (СГТ) [15], состояние которых описывается конечным числом динамических переменных {г^}, удовлетворяющих квадратично-нелинейным (как и уравнения Навье-Стокса) уравнениям движения1: щ = Г цщщ.

Здесь Г] ¦ - симметричный по нижним индексам тензор третьего ранга, удовлетворяющий дополнительным условиям, обеспечивающим существование положительно определенного интеграла движения (энергии) и сохранение фазового объема (регулярность, или &bdquo-Лиувиллевость" dui/dut = 0). Понятно, что построение подобных моделей, претендующих на статус мало-модовых аналогов уравнений Навье-Стокса, связано с определенным произволом: аппроксимацию следует проводить надлежащим образом, с тем чтобы модель сохраняла фундаментальные свойства исходных уравнений, включая выполнение отмеченных выше условий. Это обстоятельство дает весомый повод для критики СГТ. Однако нельзя отрицать и существенности результатов, полученных в рамках их изучения. Во-первых, в некоторых случаях, связанных, например, со специальной геометрией течений, малопараметрические системы дают точное описание гидродинамических полей. Кроме того, динамика маломодовых систем часто дает адекватное качественное, а иногда и количественное описание ряда течений, включая переходные режимы. Наиболее известен в этой связи пример использова.

1Родственный подход к изучению дискретных динамических систем (Discrete dynamical systemDDS) разрабатывается, в частности Мак-Донахом и сотрудниками, его основу тоже составляют редуцированные уравнения Навье-Стокса, известные в зарубежной литературе как PMNSPoor Man’s Navier-Stockes [147] ния трехмодовой (X, Y, Z) системы Лоренца (сг, г, b — константы).

X = ~аХ + aY < Y = -XZ + rX — Y Z = XY — bZ при решении классической задачи о тепловой конвекции Рэлея-Бенара.

Заслуживают также внимания результаты, полученные при изучении переходных режимов, в частности, Рюэлем и Тейкенсом. Сценарий, предсказываемый в рамках маломодового рассмотрения, и предполагающий лишь небольшое число бифуркаций, предшествующих полностью развитому режиму, все чаще находит подтверждение как в эксперименте, так и при численных расчетах.

— Непосредственное численное решение (DNS, Direct Numerical Simulations) уравнений Навье-Стокса стало возможным благодаря развитию компьютерной техники и современных вычислительных кодов. Полученные здесь за последние два десятилетия результаты позволяют сделать вывод о том, что это направление весьма перспективно по крайней мере для расчета течений с умеренными значениями числа Рейнольдса. Результаты соответствующих расчетов, в некоторых случаях даже могут служить надежной альтернативой выполнению прямых экспериментов. Что касается перспектив использования DNS в общем случае, то основное ограничение здесь связано с оценкой [20] числа степеней свободы: при характерном «внешнем» масштабе L и колмогоровских оценках t)3/L, (rf/e)1⁴ средней скорости е диссипации энергии и диссипативного масштаба rLi разнесенность Ь/гл масштабов можно оценить как Яе¾. Следовательно, полное число степеней свободы в 3-мерном случае можно оценить как Re9/4. Учитывая также нижнюю оценку Ь/у для минимального промежутка времени расчета и значение временного шага г ¿-/у (условие Куранта), получаем, что минимальное число шагов для расчета одного варианта нестационарного трехмерного течения, который позволяет рассчитать средние величины, составляет Яе^^А{Ь/Г (ц) ~ Яе3, т. е. 1012 даже для умеренного значения И. е = 10'1. Такого рода расчеты пока недостижимы для современных компьютеров, и достаточно дороги даже для меньших значений числа Рей-нольдса.

В целом можно констатировать, что в рамках всех трех подходов получены крупные результаты. Одновременно параллельное развитие этих подходов позволило выявить и характерные для каждого из них проблемы, и направления возможных дальнейших исследований. Отметим некоторые из соответствующих мотивов:

— статистический подход часто подвергали критике как теорию, не уделяющую должного внимания изучению структуры турбулентности и подчас использующую достаточно формальные построения и необоснованные аналогии, например, при решении проблемы замыкания. Этот мотив, однако, во многом снимается за счет того, что в последние два десятилетия основное внимание в рамках этого подхода уделяется спектральным методам и изучению многоточечных средних, собственно и несущих информацию о структуре.

— В свою очередь, структурный подход часто называют «структурой без теории». Очевидно, однако, что результаты этого подхода, как минимум, оказали и оказывают существенное влияние на развитие всех других.

— При оценке результатов детерминистического подхода обычно отмечают два его недостатка. Во-первых, его успехи в изучении возникновения хаотического поведения в динамических системах могут иметь слабое отношение к турбулентности как таковой, где интерес представляет в первую очередь пространственная хаотичность и связанные с ней эффекты перемежаемости. Весомые контраргументы основаны на том, что хаотичное во времени поведение, например, коэффициентов Фурье-разложения неизбежно приводит и к стохастической пространственной организации течения. Однако, и это во-вторых, соответствующие схемы, пригодные для практических расчетов, в рамках детерминистического подхода до сих пор не созданы. Исключение составляют лишь некоторые результаты, полученные в рамках DNS, а также многообещающие перспективы линейных вихревых моделей (LEMs) Керстейна.

Наверное, общепринятой в настоящее время является та точка зрения, что существующие подходы во многом дополняют друг друга, и будущий прогресс в развитии теории турбулентности естественно ожидать на стыке использования различных подходов, на пути создания &bdquo-гибридных" моделей. Это во многом относится и к большинству крупнейших уже известных работ — например, фундаментальные результаты А. Н. Колмогорова лишь условно можно отнести к &bdquo-статистической" ветви исследований. Это иллюстрируют и современные тенденции развития теории турбулентности. В качестве примера можно привести &bdquo-гибридный" подход, известный как Моделирование Крупных Вихрей (LES — Large Eddy Simulation). Сразу следует оговориться, что его приведенный русский перевод нельзя признать вполне удачным: в рамках этого подхода моделируется динамика мелкомасштабных (с размерами, меньшими размеров вычислительной сетки) возмущений, в то время как эволюция крупномасштабных структур рассчитывается численно. Разделение крупных и мелких структур осуществляется в рамках LES с помощью той или иной операции фильтрации. Как минимум, два момента являются весьма обнадеживающими при использовании этого подхода. Во-первых, есть основания надеяться, что мелкомасштабные пульсации — более универсальные, а, значит, их влияние легче поддается моделированию, в отличие, например, от подхода RANS, где приходится моделировать влияние пульсаций во всем диапазоне масштабов. Во-вторых, число степеней свободы N, с которыми приходится иметь дело в рамках LES, существенно меньше, чем в DNS. Действительно, учитывая, что граница фильтра обычно располагается в инерционном интервале, и, соответственно, минимальный размер сетки связан с тейлоровским масштабом Л = (vu2/e~ LReдля N справедлива оценка Re3/2. В результате расчет потребует лишь максимум Re2 шагов (по некоторым оценкам — Re3!2) — существенно меньше, чем в DNS. Вычисления такого рода уже вполне осуществимы с использованием современных компьютеров и программных кодов. Родственный LES подход, называемый Моделированием отсоединенных вихрей (DES — Detached Eddy Simulation) был развит в работах М. Х. Стрельца и Ф. Спаларта [20] и с успехом использован при изучении отрывных течений. Известен также вариант LES, при котором моделируется большая часть мод из инерционного интервала: VLES (Very Large Eddy Simulation).

В качестве других примеров удачных &bdquo-гибридов" можно отметить работы Лина и Вольфштейна, Рейнольдса и Кассиноса [99, 83], а также Валеффа [145, 144], которые можно рассматривать как пограничные в использовании структурного и статистического подходов. Так, в [99, 83] было введено понятие &bdquo-тензорного объема" турбулентностипо-видимому, это была одна из первых попыток количественного описания когерентных структур в рамках статистического подхода. Позднее, на основе структурного представления спектрального тензора двухточеченых корреляций, Касси-носом и Рейнольдсом была предложена так называемая PRM — Particle representation model [82], — одна из наиболее наглядных и перспективных. В свою очередь, в работах Валеффа в рамках статистического подхода с использованием разложения по спиральным модам осуществлен анализ важнейших топологических свойств турбулентных образований.

Инструментарий исследований, связанных с изучением развитой турбулентности, в последнее время еще более расширился. И, в частности, все более активно используются методы, разработанные в смежных областях математики, механики и физики. Примерами могут служить работы, основанные на использовании теории фракталов [35], использование аппарата вейвлет (?ауе1е^-анализа [146], применение техники ренормгрупповых расчетов при изучении спектральных характеристик [1]. Причем, как правило, все эти методы не только позволяют выявить новые аспекты проблемы, но и получают дальнейшее развитие при их приложении к теории турбулентности.

Представлямая работа и полученные в ее рамках результаты можно отнести к статистическому подходу, хотя любое такое соотнесение, как уже отмечалось, весьма условно. В частности, основная задача структурного подхода во многом эквивалентна такой задаче статистического подхода, как поиск и идентификация тех спектральных параметров, которые характеризуют структуру течения. Что касается соотнесения с детерминистическим подходом, то здесь следует иметь в виду, что в обоих случаях основу составляют уравнения Навье-Стокса. Однако в рамках статистического подхода не ставится задача отыскания их точных решений: они рассматриваются, как это принято в статистической физике, как динамические уравнения, описывающие эволюцию системы. Известно, что статистические параметры многих классических (гамильтоновых) систем, рассмотренных в статистической физике (например критические показатели вблизи точек фазовых переходов второго рода), не зависят от детальной структуры гамильтониана. В этой связи можно надеятся, что статистическая теория турбулентности также позволит выявить основные статистические параметры течения, которые определяются лишь наиболее общими свойствами уравнения Навье-Стокса. Это перекликается с уже полученными в рамках детерминистического подхода результатами, касающимися, например, инвариантности основных топологических параметров странного аттрактора по отношению к некоторому варьированию структуры и вида СГТуравнений.

Следует также отметить, что в рамках самого статистического подхода, в свою очередь, можно выделить две ветви. Первая из них — по существу, эмпирическая — основана на непосредственном использовании уравнения Рейнольдса (0.2), и в ее рамках &bdquo-замыкание" осуществляется на уровне одноточечных моментов низшего порядка для поля скорости. Вторую ветвь, собственно и представляющую статистический подход, следуя классической монографии [24], часто называют статистической гидродинамикой. В ее рамках объект исследования гораздо более богатый: функции распределения по скоростям, многоточечные корреляции, спектральные уравнения. Р1мепно эта ветвь составляет теоретическую основу подхода, в то время как в практических инженерных расчетах, как правило, используются полуэмпирические модели. В этой связи в последние годы усилился интерес к обоснованию и усовершенствованию полуэмпирических моделей на основе статистико-гидродинамического рассмотрения.

Основные результаты данной работы представлены в трех последующих главах. В первой из них проведен анализ наиболее распространенных статистических моделей, основанных на использовании одноточечных средних. Показано, что использование спектральных методов позволяет сформулировать конструктивные критерии оценки адекватности этих моделей и способы их совершенствования. Главы 2 и 3 представляют некоторые результаты использования собствено спектрального подхода. При этом глава 2 посвящена исследованию аналогии турбулентности с системами, находящимися вблизи точки фазового перехода второго рода. Сформулирована гипотеза о масштабной инвариантности (скейлинге) длинноволновых возмущений поля скорости, идентифицирована &bdquo-температура" турбулентности как параметр, характеризующий ее близость к критической точке (Яе —у оо). Проверка гипотез осуществлена на основе непосредственного анализа экспериментальных данных. Осуществлен расчет основных параметров затухающей турбулентности за решеткой. В главе 3 предложенный аппарат обобщен на случай анизотропной турбулентности. Показано, что роль управляющих параметров, определяющих динамику и структуру турбулентности, играют такие управляющие поля как скорость диссипации энергии, корреляционный радиус и амплитудные функции, характеризующие ориентационные свойства спектров в длинноволновом диапазоне. В качестве приложения произведен аналитический, без использования модельных констант, расчет искажений турбулентности, включая течения в кон-фузорах и диффузорах. Обсуждены также варианты дальнейшего обобщения результатов и возможности их систематического распространения на случай неоднородных течений.

В заключение, предваряя основной материал, следует кратко остановиться на ранней истории статистического подхода. Как уже отмечалось, в расчетной практике по-прежнему преобладает классический подход, основанный на использовании уравнения Рейнольдса (0.2) для средней скорости О. Для замыкания этого уравнения, в свою очередь, в основном используются лишь так называемые модели первого и второго поколений. Несмотря на свой полуэмпирический статус, эти модели имеют глубокое методологическое основание, связанное с идеями Н. Н. Боголюбова о сокращенном описании. Кроме того, с практической точки зрения именно эти модели являются едва ли не единственным связующим звеном для многих упомянутых подходов: как правило, именно они играют роль «точки приложения «новых идейих критикуют, обосновывают, улучшают.

В рамках моделей первого поколения, связанных с понятием турбулентной вязкости, осуществляется непосредственная параметризация тензора Рейнольдса т^- через тензор скоростей деформаций ]ц = ди^/дх^ (гипотеза Буссинеска, основанная, очевидно, на аналогии с молекулярным механизмом явлений переноса):

П5 — h<6i:j = -IvtUij. (0.3).

Здесь К = («2)/2 — кинетическая энергия пульсационного движения, щтурбулентная вязкость (eddy viscosity). Последняя величина определяется характерными масштабами длины и скоростиее, очевидно, необходимо моделировать. Первые попытки здесь связаны с работами Прандтля (1925), который, продолжая аналогию с молекулярным переносом, ввел понятие длины смешения lmix, допускающее простую и наглядную интерпретацию как &bdquo-свободный пробег» вихрей между их «столкновениями». При этом для турбулентной вязкости было преложено представление.

Щ ~ ImiT2 II Ui3 || .

В рамках такого описания, однако, остается неопределенным важнейший параметр — lmix. Наиболее известные попытки его моделирования восходят к работам Кармана, который при описании течения в канале для длины смешения впервые предложил формулу lmix ~ Ui2/(d2U/dx22). В результате была получена первая модель замыкания, включающая лишь одно &bdquo-замыкающее" уравнение. Подобная схема в дальнейшем была обоще-на и развита в работах В. В. Новожилова и В. А. Павловского [29, 30].

Альтернативный подход к отысканию турбулентной вязкости был предложен А. Н. Колмогоровым в рамках созданной им в начале 1940;х первой физической модели турбулентности. Величину vt было предложено выражать через основные управляющие параметры, принятые в рамках этой теории: К и и среднюю скорость е диссипации энергии. Это приводит к представлению vt = ctK2/eконстанта ct ~ 0,09 была определена опытным путем.

Замыкание уравнений для средней скорости при этом осуществляется за счет дополнительных уравнений для турбулентной энергии К (оно имеет вид DK/Dt — Р — е, где Р = —TijSij — порождение турбулентной энергии) и аналогичного (модельного) — для средней скорости диссипации энергии е.

Таким образом, с точки зрения сокращенного описания, набор «управляющих», секулярных параметров в современных моделях первого поколения включает лишь три функции: U, K и б. Подобные простые схемы замыкания, известные как к — е модели (а также не менее популярные аналоги, известные как к — ш модели, основанные на представлении ut = к/ш) оказались довольно успешными при описании некоторых простых классов течений. Однако все же область их использования весьма ограничена: экспериментальные данные свидетельствуют об отсутствии локальной связи между тензорами т^ и Uij. В частности, с помощью моделей первого поколения не удается получить удовлетворительные результаты для течений с сильной закруткой, высокой степенью анизотропии и искривления линий тока.

Относительно недавно были предприняты попытки усовершенствования моделей первого поколения на основе учета «памяти» турбулентного течения, по аналогии с описанием вязко-упругих неньютоновских жидкостей. Определяющие уравнения таких нелинейных моделей турбулентной вязкости (NLEVMs, non-linear eddy-viscosity models [130]) удобно записать с использованием так называемого тензора анизотропии btj = тц/1К — 0ц/3:

Здесь Б и W — симметричная и антисимметричная части иензора скоростей деформации, I — единичная матрица, а^ -константы, фигурные скобвективную производную Олдройта: OS/St = DS/Dt + (SW — WS) — 2S2, D/Dt = d/dt+Ujd/dxj. Несмотря на физическую привлекательность, эти модели не привели к существенному улучшению качества предсказаний, к тому же технически они гораздо сложнее классических моделей первого поколения.

Известно еще одно обобшение классических моделей первого поколения, которое, в отличие от NLEVMs, оказалось весьма успешным в осуществлении практических расчетов. Впервые это обобщение было предложено Спалартом и Алмарасом (Spalart-Allmaras) в начале 90-х., в его рамках для турбулентной вязкости используется уравнение переноса. Их модель в некотором смысле можно рассматривать как переходную по отношению к так называемым моделям второго поколения (восходящих, впрочем, еще к работам Crow и Chou). Именно эти модели в настоящее время наиболее часто используются при расчетах сложных турбулентных течений. Их основу составляют уравнения переноса для Рейнольдсовых напряжений (DRSM, Differential Reynolds Stress Models):

Здесь Pij = —TimUjm — TjmUim, eц — тензор диссипации энергии (б = еи-/2), остальные слагаемые в правой части уравнения (0.4) представки означают свертку. Опреатор 4 предсатвляет собой инвариантную кон.

0.4) ляют перераспределение энергии и диффузию соответственноих необходимо моделировать.

Генеалогически модели второго поколения являются естественным обобщением моделей первого поколения: здесь по существу лишь несколько расширяется набор &bdquo-секулярных" параметров: в их число включается уже не только кинетическая энергия, а все компоненты тензора Рейнольдсовых напряжений. Стратегия замыкания при этом заключается, как правило, в поиске (на основе интуитивных физических представлений или моделирования выражений для 2-точеченых корреляций) алгебраических соотношений, связывающих неизвестные слагаемые в уравнениях (0.4) для Рейнольдсовых напряжений с набором секулярных величин.

Подробный анализ моделей второго поколения приведен в следующей главе.

Целью работы является изучение структуры развитой турбулентности и совершенствование методов ее расчета на основе анализа ее спектральных характеристик. В этой связи возникли следующие группы задач:

• выявление наиболее общих свойств спектральных функций (скей-линг, длинноволновый предел, положительная определенность), их теоретическое обоснование и проверка согласованности с экспериментом.

• «Редуцирование» спектральных уравнений на основе идей сокращенного описания. Выбор секулярных полей и получение для них замкнутой системы уравнений.

Апробация предложенного подхода на примерах затухающей турбулентности и однородного искажения.

Разработка критериев оценки существующих одноточечных моделей турбулентности на основе спектральных представлений.

Научная новизна работы состоит в следующем: на основе условия &bdquo-спектральной реализуемости" выведены ограничения, которым должны удовлетворять модельные выражения для &bdquo-быстрой" части корреляций «давление-скорости деформаций». Эти ограничения представляют собой новый и удобный (по сравнению с обычными критериями реализуемости) с практической точки зрения критерий адекватности моделей второго поколенияна основе анализа многочисленных экспериментальных данных по исследованию спектральных характеристик турбулентности в длинноволновом (включая инерционный интервал) диапазоне предложен подход к описанию развитой турбулентности как критической системы. Самой критической точке при этом соответствует предел йе —>• со, роль &bdquo-температуры" т играет отношение колмогоровско-го диссипативного 1(1 и внешнего Т масштабов времени, а статистика флуктуации скорости в указанном диапазоне описывается универсальными функциями с аргументом ктс, где тс — корреляционный радиус (интегральный масштаб) турбулентностидля локально-однородной турбулентности проанализированы аналитические свойства спектральных функций в области малых волновых чисел к. Показано, что характер промежуточной асимптотики в пределе при кгс —> 0 существенно влияет на эволюцию потока, в частности, на показатели затухания характеристик изотропной турбулентности за решеткой. В частности, существование нетривиального предела для сверток (ослабленная форма аналитичности) спектральных функций позволяет выразить показатель затухания турбулентности через критические индексы и приводит к значению 6/5, которые лучше согласуются с экспериментом, чем, например, значение 10/7, соответствующие предположению об аналитичности компонент спектрального тензора и сохранению интеграла Лойцянского. Для течений со средней скоростью деформаций нетривиальность указанного предела соответствует существованию квазидетерминировапных длинноволновых возмущений — так называемых когерентных структур;

• предложен новый набор секулярных полей, которые служат основой сокращенного описания гидродинамической системы на турбулентной стадии эволюции. К ним относятся амплитудные функции длинноволновых возмущений, а также корреляциолнный радиус и средняя скорость диссипации энергии. К аргументам этих полей, в отличие от тех, которые используются в различных схемах так называемых одноточечных замыканий, кроме пространственных координат, относится также ориентация волнового вектора.

• Для секулярных полей выведена замкнутая система уравнений. Несмотря на их интегро-дифференциальный характер, для некоторых случаев выведены аналитические решения. В частности, без привлечения каких-либо модельных констант выполнен расчет основных спектральных и одноточечных характеристик турбулентности при однородном искажении.

• Для неоднородных течений предложен метод расчета секулярных полей, аналогичный методу Энскога-Чепмена в кинетической теории. При этом показано, что спектральный межкомпонентный перенос аналогичен интегралу столкновений в кинетическом уравнении Больцмана.

Достоверность. Выводы диссертации основаны на результатах численных расчетов и теоретических оценок, которые подтверждены качественно и количественнов экспериментальными данными.

Практическая значимость результатов исследований связана с углублением представлений о структуре и динамике крупномасштбных пульсаций и их определяющей роли в формировании структуры турбулентности. Предложенный вариант сокращенного описания турбулентности и, соответственно, редуцирования спектральных уравнений позволяет объяснить механизм подавления нелинейных взаимодействий и формирования универсальных спектральных функций.

В рамках предложенного подхода возникает возможность аналитического расчета не только одноточечных характеристик турбулентности, но и спектральных параметров, определющих ее структуру.

Выведенные новые критерии реализуемости для моделей второго поколения позволяют оперативно, до стадии решения громоздких систем дифференциальных уравнений, определить области адекватности этих модел ей, а также производить их корректировку за счет варьирования значений констант в заранее рассчитанных диапазонах.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Новый критерий адекватности моделей турбулентности второго поколения, который, в отличие от известного критерия реализуемости Ламли, позволяет, например, независимо, до процедуры численного решения, оценить область применимости различных модельных выражений для корреляций «давление-скорости деформаций» .

• Подход к описанию турбулентности как критического явления с критической точкой, соответствующей бесконечному значению числа Рейнольдса.

• Разделение переменных, от которых зависят параметры турбулентности на &bdquo-быстрые" (волновое число, зависимость от которого описывается универсальными функциями с аргументом кгс) и &bdquo-медленные" (пространственные координаты и ориентация волнового вектора). Подтверждение универсальности указанных функций на основе сравнения с экспериментальными данными.

• Описание эволюции системы на турбулентной стадии на основе нового набора секулярных величин, включающего &bdquo-амплитудные" функции наиболее крупномасштабных возмущений, корреляционный радиус и среднюю скорость диссипации энергии.

• Замкнутая система уравнений для набора секулярных полей и результаты ее решения для однородного искажения общего вида.

• Вывод иерархии уравнений для секулярных полей локальнооднородной турбулентности на основе процедуры, аналогичной методу Энскога-Чепмена в кинетической теории газов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на семинарах кафедры статистической физики СПбГУ, кафедры теоретической физики КГПУ, лабораториях ЦАГИ и ЦНИИ им. акад. Крылова, на Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференциях и семинарах:

— на Всесоюзном совещании по проблеме «Абсорбция газов» (Ташкент, 1979),.

— на У Республиканской конференции молодых ученых — химиков (Таллин, 1983),.

— на Всесоюзной научно-технической конференции «Контейнерный трубопроводный гидротранспорт» (Новополоцк, 1984),.

— на Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 1985,.

— на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы аэродинамики газовоздушных трактов котельных агрегатов» (Барнаул, 1989),.

— на координационном совещании «Математическое моделирование в гидроэкологии (Ленинград, 1990),.

— на Международном совещании «Проблемы физической лимнологии «(Петрозаводск, 1993),.

— на Восьмом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике. (Пермь, 2001),.

— на VI Европейской конференции по гидромеханике EFMC-6 (Стокгольм, 2006),.

— на XI и XII Европейских конференциях по турбулентности ETC-11 (Порто, Португалия, 2007) и ETC-12 (Марбург, Германия, 2009),.

— на Международной научной конференции по механике «Пятые По-ляховские чтения» (С.-Петербург, 2009).

Публикации. Основной материал диссертации опубликован более чем в 20 научных работах, среди которых 11 в реферируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, 8 приложений, заключения и списка литературы. Общий к (объем диссертации составляет 6ZJ, страниц, включая SO рисунко/3.

Список публикаций автора по теме диссертации.

1. Л. Ц. Аджемян, С. Р. Богданов, Ю. В. Сыщиков. Гипотеза подобия при описании длинноволновых спектров развитой турбулентности // Вестник ЛГУ. 1982. № 10. С. 76−79.

2. С. Р. Богданов. Изучение закономерностей вырождения локально-однородной и изотропной турбулентности на основе гипотезы скэйлинга // Журнал технической физики. 1983. Т. 53. № 5. С. 949−952.

3. С. Р. Богданов. О константах Колмогорова в спектрах анизотропной турбулентности // Журн. прикл. мех. и техн. физ. 1990. № 5. С. 142−145.

4. Спектральный метод замыкания уравнений развитой анизотропной турбулентности: скейлинг, дальнодействие, память // Журнал технической физики, 1991, Т.61. № 5. С.113−116.

5. Замыкание уравнений турбулентности как проблема аналитических и скейлинговых свойств спектральных функций // Прикладная механика и техническая физика. 1991. № 6. С.83−93.

6. С. Р. Богданов, С. И. Соболев. К проблеме моделирования корреляций «давление — скорости деформаций «в теории турбулентности // Изв. АН СССР, серия «Механика жидкости и газа». 1992. № 2. С.42−46.

7. С. Р. Богданов, Лехто Г. Ф. Квазилинейная система уравнений для параметров развитой турбулентности. Расчет безвихревого искажения потока за решеткой // Прикладаная механика и техническая физика. 1992. № 3. С.90−92.

8. О нелинейных моделях для корреляций «давление-скорости деформаций'^ турбулентном потоке // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. № 19. С. 16−23.

9. С. Р. Богданов, ТЫЬаиМ Лог^еп. Ограничения на «быструю» часть корреляций «давление — скорости деформаций», выводимые из спектрального представления // Прикладная механика и техническая физика. 2008. Т. 49. № 2. С. 29−39.

10. С. Р. Богданов. Оценка адекватности нелинейных моделей для корреляций «давление-скорости деформаций» в турбулентном потоке // Журнал технической физики. 2009. Т. 79. № 1. С. 28−35.

11. С. Р. Богданов. Аналитический расчет параметров турбулентности при осесимметричном искажении // Изв. РАН, серия «Механика жидкости и газа». 2009. № 5. С. 45−59.

12. Турбулентный перенос пассивной примеси: волны или диффузия // Проблемы физической лимнологии. Петрозаводск, 1993. С. 110−115.

13. Осесимметричная турбулентность. Проблемы расчета с точки зрения аналитических и скейлинговых свойств спектральных функций // Гидрогазодинамика течений с тепломассообменом. Ижевск, 1989. С. 91−98.

14. Изучение структуры и закономерностей затухания развитой турбулентности на основе гипотезы скэйлинга. Статья депонирована в ВИНИТИ 21.01.83, № 376−83, 1 п.л.

15. С. Р. Богданов, Л. Ц. Аджемян. Турбулентный поток с поперечным сдвигом как критическая система. Статья депонирована в ВИНИТИ 17.02.83, № 882−83. 1.5 п.л.

16. Изучение развитой турбулентности на основе гипотезы скэйлинга. Автореферат кандидатской диссертации, Ленинград, 1983.

17. С. Р. Богданов. Теоретическое изучение структуры и интегральных гидродинамических характеристик кольцевых турбулентных течений двухфазных смесей // Y Республиканская конференция молодых ученых. Таллин, 1983. С. 118.

18. С. Р. Богданов, Л. Ц. Аджемян. К расчету асимптотического вполне развитого турбулентного режима гидротранспорта контейнеров // Контейнерный трубопроводный гидротранспорт. Новополоцк, 1984. С. 30−32.

19. С. Р. Богданов. Расчет влияния осесимметричного поджатия на характеристики турбулентности // Всесоюзная конференция «Проблемы аэродинамики газовоздушных трактов». Барнаул, 1989. С. 108−109.

20. С. Р. Богданов, T.J.Jongen. Ограничения на тензор корреляций «давление — скорости деформаций», выводимые из спектрального представления // Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Пермь, 2001. С. 107.

21. S.R.Bogdanov, T.J.Jongen. Constraints for the Pressure-Strain.

Correlation Tensor Derived from Spectral Representation // EFMC6 KTHEUROMECH Fluid Mechanics Conference 6. Royal Insyitute of Technology. Stockholm, June 26−30, 2006. Abstracts, V.2. P. 224.

22. S.R.Bogdanov. Closure for Anisotropic Homogeneous Turbulence as the Problem of Analytical and Scaling Properties of Spectral Tensors // Advances in Turbulence XI. Proceedings of the 11th EUROMECH Conference, June 25−28, 2007, Porto, Portugal. P. 733.

23. S.R. Bogdanovio RDT or low wavenumber modes' dynamics? // Advances in Turbulence XII. Proceedings of the 12th EUROMECH European Turbulence Conference, September 7−10, 2009, Marburg, Germany Series: Springer Proceedings in Physics, Vol. 132 Eckhardt, Bruno (Ed.). 2009, XXVII, 913 p. 900 illus., Hardcover. P. 943−945.

Работы под номерами 2−11 переведены опубликованы в англоязычных версиях соответствующих журналов.

Заключение

.

Последние декады характеризуются бурным развитием всех направлений исследований, связанных с построением теории развитой турбулентности. Одна из важных тенденций этого развития — взаимное проникновение идей, разрабатываемых в рамках различных подходов. В частности, очевидная интерференция наблюдается в развитии статистического и структурного подходов, которые ранее рассматривались как практически автономные.

Также уже общепризнанным можно считать тот факт, что традиционные одноточечные замыкания (попытки построения замкнутой системы уравнений лишь для средней скорости и и компонент тензора Рейнольдса (¦и,-1£.,¦)) не только не могут служить конечной целью исследований, но и далеко не всегда могут быть основанием для решения конкретных практических задач. Во-первых, запросы, связанные со многими практическими расчетами, в последнее время существенно изменились: помимо традиционных, все больший интерес вызывают более «тонкие» одноточечные параметры, связанные, например, с описанием перемежаемости, интенсивности генерации звука, межкомпонентным и спектральным переносом энергии.

Во-вторых, сама логика развития статистического подхода свидетельствует о необходимости существенного расширения или даже изменения набора управляющих параметров — полей. Так, при построении адекватной модели для корреляций «давление — скорости деформаций «в моделях второго поколения, как указывалось в разделах 1.7 и 2.1, помимо тензора Рейнольдса необходимо, привлекать, как минимум, еще одну важную величину, характеризующую структуру потока — тензор «размерностности» .

Решение указанных проблем в этой связи естественно связывать с привлечением информации о 2-точечных характеристиках поля скорости, активном использовании системы уравнений для соответствующих спектральных тензоров. Несмотря на исключительную сложность этой системы, она может служить основой дальнейшего развития статистических методик даже в рамках феноменологического рассмотрения. В частности, как показано в представляемой работе, достаточно конструктивные результаты можно получить из этой системы, используя лишь наиболее общие свойства спектральных тензоров: положительную определенность, аналитические свойства, масштабную инвариантность в инфракрасной области, существование нетривиальных пределов при кгс —> 0.

Так, в главе 1 на основе использования первого из указанных свойств — положительной определенности спектрального тензора двухточечных корреляций — выведены новые критерии, позволяющие, в частности, непосредственно оценить адеквтность моделей второго поколения. В отличие от известных условий реализуемости, эти новые критерии позволяют осуществить проверку моделей еще до достаточно громоздкой стадии решения соответствующей системы дифференциальных уравнений. При этом с помощью неравенств, вытекающих из этого критерия, удается определить «область адекватности» для каждой модели или вывести ограничения на значения модельных констант. На примере рассмотрения течений эллиптического типа было показано, что все известные модели второго поколения нельзя считать вполне адекватными и универсальными: новый спектральный критерий реализуемости оказывается нарушенным в той или иной области физического домена. При этом последовательное усложнение (например, за счет включения нелинейных по Ьц или Ът13 слагаемых) модели не приводит к монотонному улучшению ситуации.

В то же время введенный новый критерий, как показано в главе 1, может оказаться (например, за счет контролируемого варьирования констант) достаточно конструктивным при расчетах конкретных течений. В заключительном параграфе главы показано также, что предложенный подход к оценке моделей второго поколения может быть обобщен на случай течений произвольного типа, за счет использования полного тензорного базиса при параметризации Ъц, а также использования точного выражения т) для Ф^-, включающего слагаемые высшего порядка по малому параметру гс/Ь.

Альтернативный — по отношению к известным полуэмпирическим 11 одноточечным11 моделям — вариант описания турбулентных потоков, основанный на непосредственном использовании спектральных уравнений, представлен в главе 2. Физическую основу этого варианта составляет гипотеза о масштабной инвариантности (скейлинге) длинноволновых возмущений поля скорости, которая подтвержается анализом многочисленных экспериментальных данных. Этот факт позволяет провести аналогию между развитой турбулентностью и критическими системами и, как следствие, использовать развитые в теории фазовых переходов второго рода методы и оценки.

В частности, в рамках такой аналогии спектральные тензоры выражаются через универсальные функции с аргументом кгс. Это означает, что зависимость этих тензоров от координат х — неявная, определяется зависимостью от х лишь «управляющих» параметров, к числу которых, например, в случае изотропной турбулентности, относятся гс и е. При этом удается получить некоторые результаты, даже не проводя достаточно сложных вычислений, связанных с перенормировкой исходных уравнений, последовательным исключением коротковолновых гармоник. Так, удается идентифицировать «температуру» турбулентности (параметр, характеризующий ее близость к критической точке Re —> оо) как отношение дисспативно-го tj, и внешнего масштабов времени. При этом, как следствие, выводится дополнительное уравнение для управляющих параметров.

Замыкание уравнений для управляющих параметров осуществляется на основе анализа поведения спектральных функций в пределе при кгс —"¦ 0: предполагается, что в этом пределе не имеют особенностей соответствующие свертки, например, Fn —* const 0. С физической точки зрения такая гипотеза фактически эквивалентна предположению о существовании когерентных структур — квазидетерминированных образований с размерами, существенно превышающими гс. Ее прямым следствием в случае изотропной турбулентности является существование интеграла движения, имеющего смысл энергии «турбулентного моля». С другой стороны, указанное свойство спектральных функций, как показано в разделе 3.1, представляет собой естественное условие самосогласованности гипотезы скейлинга.

Предложенный метод проиллюстрирован расчетом затухающей изотропной турбулентности за решеткой. Получены аналитические результаты, позволяющие определить эволюцию параметров течения. В частности, получены явные выражения для степенных показателей, определяющих поведение интенсивности пульсаций и интегрального масштаба турбулентности. Соответствующие значения однозначно определяются по критическим показателям ?3 и ц и находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

Обобщению предложенного метода на случай анизотроной турбулентности посвящен основной материал главы 3. При этом предварительно возможность такого обобщения была косвенно подтверждена проведенным анализом зависимости констант Колмогорова от параметров анизотропии. Основная проблема при таком обобщении — в духе идей о сокращенном описании — связана с выбором дополнительных параметров — полей, которые необходимо включить в «управляющий набор». С учетом результатов, полученных при изучении так называемого «аномального скейлинга», в качестве таких параметров выбраны «амплитудные функции» Д-(х, в), определяющие вид компонент спектрального тензора в длинноволновом пределе. Следует подчеркнуть, что, в отличие от традиционных схем замыкания, в число аргументов этих функций, как и корреляционного радиуса7~с, входят не только координаты х, но и вектор ориентации в = к/к. При этом одноточечные средние, представляющие наибольший практический интерес, получаются в результате интегрирования соответствующих выражений по сфере единичного радиуса в к — пространстве.

Для набора управляющих параметров — амплитудных функций, корреляционного радиуса и скорости диссипации энергии — в нулевом приближении по параметру гс/Ь получена замкнутая система уравнений. Это приближение, соответствующее приближению квазиравновесной функции распределения в статистической физике, оказывается, однако, весьма содержательным и конструктивным при анализе ряда простейших течений. Так, в разделе 3.4 в указанном приближении произведен расчет осесим-метричных искажений решеточной турбулентности. При этом некоторые результаты, относящиеся, в частности, к динамике амплитудных функций асимптотическая форма при больших степенях искажения, характер рас—* пределения энергии в к — пространстве), удается получить в аналитическом виде. В пределе быстрых искажений начально изотропной турбулентности результаты совпадают с выводами ГШТ. В то же время в рамках предложенной схемы замыкания удается без существенных усложнений произвести расчеты при произвольных начальных условиях, а также, что наиболее важно, обобщить результаты на случай, когда характерные &bdquo-внешний" и &bdquo-внутренний" временные масштабы — величины одного порядка. Для этого последнего случая удалось, в частности, показать, что изменение интенсивности компонент может иметь немонотонный характер, и существенно зависит не только от степени деформации, но и от ее характера.

В разделе 3.5 результаты обобщены на случай безвихревого искажения общего вида. На основе расчетов динамики компонентальной и ди-рекционной анизотропии амплитудных функций, а также дирекционной анизотропии корреляционного радиуса проведен подробный анализ эволюции интенсивности пульсаций и процесса перераспределения энергии между компонентами. Показано, в частности, что на динамику одноточечных средних указанные факторы анизотропии влияют по-разному, в частности, скорости релаксации компонентальной и дирекционной анизотропии к их асимптотическим формам существенно отличаются. Как следствие, сценарий даже безвихревого искажения при некоторых начальных условиях оказывается весьма нетривиальным: например, интенсивности пульсаций при приближении к асимптотическому состоянию могут изменяться немонотонно, и траектория изображающей точки на треугольнике Лам л и имеет петли). Что касается самих асимптотических состояний, то во всех случаях за исключением деформации сплющивания = 1) они одинаковы и соответствуют двухкомпонентной осесимметричной турбулентности. При Е = 1 асимптотическому состоянию соответствует сосредоточение половины энергии в продольных пульсациях.

Показано также, что обобщение метода на общий случай неоднородных течений и, соответственно, учета высших по малому параметру гс/Ь слагаемых в спектральных уравнениях возможно в рамках процедуры, аналогичной методу Энскога-Чепмена при решении кинетического уравнения в газовой динамике. При этом новые нетривиальные слагаемые в системе уравнений для управляющих параметров появляются во втором порядке по указанному параметру. Показано также, что эта система существенно упрощается в случае геликоидального характера когерентных структур. Например, при изучении &bdquo-изотропизации" потока за решеткой можно ограничиться рассмотрением лишь низших (нулевого и второго) ориентацион-ных моментов амплитудных функций.