强强联手,拨开涡涡不分百年谬误的迷雾

涡虽然无处不在,但却难以给出严格定义,1858年Helmholtz 提出涡丝(Vortex Filament)的概念,至今仍有许多教科书把涡(Vortex)定义为涡量管(Vorticity Tube),把涡量大小定义为涡的强度,或者旋转的强度。可见在Helmholtz的定义中就已经把流体旋转的自然现象涡旋(Vortex)与涡量(Vorticity)混淆起来,并且这种混淆随着涡线、涡丝和涡管的术语延续到现在。这就是所谓“涡(vorticity)涡(vortex)不分,涡(vorticity)就是涡(vortex)”。

1、Liutex为涡而生

2017年德州大学阿灵顿分校的刘超群教授提出一个表征流体转动即涡(vortex)的新的物理量Liutex。其主要思想是把刚体转动部分从流体的运动中分离出来,即采用R-NR分解,将速度梯度张量分解为旋转部分R和非旋转部分NR。用速度梯度张量的实特征向量方向作为Liutex的方向,2倍的旋转角速度作为Liutex的大小,如图1所示。

复旦大学的徐弘一教授指出:

我完全相信Liutex能够揭开困扰人类长达几个世纪的涡的秘密。特别的,Liutex涡核线第一次清晰地描绘出了涡的结构,将这些结构生动地可视化。这是迄今为止唯一正确的涡的结构、涡的数学本质的展现。

清华大学的桂南教授说:

Liutex方法正确地把速度梯度张量分解成旋转部分和非旋转部分,而不是对称和反对称部分,以前从来没有过分解出一个纯粹的旋转张量。

在提出Liutex之后,德州大学阿灵顿分校的团队发展了一系列基于Liutex的涡识别方法,许多研究都表明Liutex涡核线能够正确的显示不同流场中的涡结构。这些方法的程序都可以从UTA的网站上免费下载。

https://www.uta.edu/math/cnsm/public_html/cnsm/cnsm.html

此外,UTA的团队还证明了Liutex的存在性、唯一性、稳定性和伽利略不变性。另外一个非常重要的概念是“主坐标系”(Principal Coordinate),因为旋转是有一个轴的,所以它一定不会是各向同性。那么在某一时刻就会有某一个坐标系它的地位比其他的坐标系更特殊,我们把这个坐标系叫作“主坐标系”。需要注意的是“主坐标系”的确定和liutex向量有关,不同时刻的Liutex向量可能不同,所以“主坐标系”是一个瞬态概念。主坐标系的特殊之处在于,在主坐标系下的速度梯度张量可以容易的分解成旋转、拉伸压缩和剪切部分,并且这些部分的物理意义都是明确的。我们把这种分解称为“主分解”(Principal Decomposition)。

图2  “主坐标系”下的速度梯度张量“主分解”

事实上,涡量不仅仅是旋转的,而是旋转加上剪切。对于固体而言,剪切为0或者很小,所以涡量能够代表旋转。但是,流体的剪切不能够忽略,这是涡量不能代表涡的一个主要原因。基于此,刘超群教授提出了涡量的RS分解。简而言之,就是把涡量分解成旋转部分和剪切部分。以上的这些理论构成了Liutex理论系统,它是新时代涡科学、湍流研究以及流体力学基础。

2、涡的研究进入新时代

3.1第三代涡识别方法

第一代涡识别方法就是以涡量管、涡丝等以涡量概念构建的识别方法,但对于平行剪切流,即使无涡,也有涡量的存在,因此以涡量概念来判断是否有涡的存在是不可靠的;第二代涡识别方法是基于速度梯度张量的特征值和相关不变量形成的涡识别方法,如Q、Δ、λ2、λci,这类方法大都采用的是标量,无法获得旋转轴方向的信息,只能得到涡的相对强弱,无法得到具体的选择角速度,而且需要人为设置阈值来显示涡的结构;第三代涡识别方法就是基于Liutex涡的识别方法,该方法无需设定阈值,既可以展示旋转轴方向,也可以同时捕捉强涡和弱涡。

3.2 Liutex频谱发现-5/3幂次律

Liutex被发现后,刘教授和他的学生在一个Liutex应用的例子中发现Liutex(刚体转动)频谱在湍流边界层中具有-5/3幂次律。

Kolmogorov著名的-5/3幂次律只在雷诺数非常大的各向同性区才成立,在壁面流、湍流边界层以及中小雷诺数湍流中与DNS和实验结果符合得不好。但是从Liutex频谱图像上可以看出,-5/3相似律符合得非常好!

图3 Liutex频谱在湍流边界层中具有-5/3幂次律

3.3 推动新时代涡科学研究

2018到2019年间,UTA团队在PoF上发表了15篇文章,在水动力学研究与进展B辑(JHD)上发表文章14篇以上。UTA团队发表的文章被评为PoF 2019年最具代表性letter第2、6、7名,PoF 2019年被引最多文章第2、第5名,以及PoF 2019年最佳文章第5、第13名。此外,刘教授和其合作学者在Bentham和Elsevier出版社各出版了一本关于Liutex的书。

图4  Liutex书籍

3、强强联手,拨开涡涡不分百年谬误的迷雾

刘超群的UTA团队和《水动力学研究与进展》杂志就是其中两个致力于拨开“涡涡不分”迷雾的团队。《水动力学研究与进展》是一批有志于发展我国水动力学事业的学术前辈创造性地以联合体形式集资集智创办的学术期刊。《水动力学研究与进展》A辑(中文刊)瞄准学科应用领域,关注学科成果转化及各领域内应用创新,侧重国内交流及国内影响力提高,以国内一流的学术期刊为发展目标,《水动力学研究与进展》B辑(Journal of Hydrodynamics,JHD,英文刊)瞄准学科的前沿和热点研究,关注学术水平和创新,侧重于国际交流及国际影响力提高,以国际一流的学术期刊为发展目标,近40年来,期刊不断发展的同时造就了一支实力雄厚、思想活跃的编委会队伍。

在究竟什么是涡的讨论热潮中,执行主编周连第教授对自然界中众多涡的现象进行凝练,并与Liutex涡建立者刘超群教授开展了充分的讨论,提出了支撑涡作为物理概念的六大要素:(1)涡的绝对强度,(2)涡的相对强度,(3)当地旋转轴,(4)涡核中心位置,(5)涡核大小,(6)涡的边界。

刘超群教授将此六大要素作为评判各种涡识别的试金石,刘教授指出,第一代涡识别方法不能回答上述的六大要素,第二代涡识别方法采用阈值给出了涡的边界,而其余问题无法回答。那么,什么是那个拨开“涡涡不分”迷雾的物理量呢?刘超群教授给出了他的答案—Liutex。Liutex是一个向量,它的大小是旋转角速度的2倍,它的方向是当地旋转轴的方向。这就回答了第(1)和第(3)个问题;基于流体中Liutex的浓度的概念,采用Liutex-Omega衡量可以解决六大要素中的(2)涡的相对强度;涡核中心本身是一根特殊的Liutex线,为此六大要素中的(4)涡核中心位置同样可以回答;可以通过经验以涡核处至相对强度减少到95%来确定六大要素(5)涡核大小以及六大要素(6)涡的边界,而且这种方法能够同时显示强涡和弱涡。

一系列的研究指出,Liutex从流体的运动当中提取出来了刚体转动部分,避免了剪切的污染。Liutex理论也解释了涡量(Vorticity)适用于固体但不适用于流体的原因,那就是涡量可以分解为旋转加上剪切之和(这一分解被称为R-S分解),固体中剪切极小,但是在流体中剪切却无法忽略。一些其他的理论和方法,如Liutex向量线、Liutex等值面、Liutex-Omega方法、Liutex涡核线、主坐标系和Liutex-5/3幂次律等,逐渐构建了一个系统的Liutex理论体系。

志同道合推动了刘超群的UTA团队与JHD的战略合作。UTA团队将创新性的成果优先投给JHD,JHD积极组织力量优先发表,同时在Springer平台进行宣传推广,仅2018、2019两年,UTA团队在JHD上发表论文12篇,JHD积极组织力量将第三代涡识别方法在水动力学各领域推广应用,以支持和呼应UTA团队的研究工作。此外,JHD编委会和刘超群教授的团队多次合作举办各类涡与湍流的学术交流会,促进该方向研究的发展及影响力的提高。尤其是疫情肆虐的2020年,第13届Chaos国际学术会议上,积极组织Chaos2020 Liutex Workshop,使得参会人数达到35人,交流论文40篇,占整个学术会议的1/3,并计划将论文汇编为“Liutex and Third Generation of Vortex Definition and Identification for Turbulence Research”图书,预计将在Springer出版公司出版。

“涡涡不分”已缪谈百年,根深蒂固,拨乱反正、清除谬误对人类科学发展具有重要意义。UTA和JHD两大团队强强合作,优势互补,拨开涡涡不分百年谬误的迷雾,并向科学研究高地Liutex涡动力学携手共进。

参考文献:

[1] Liu C, Gao Y, Dong X, et al. Third generation of vortex identification methods: Omega and Liutex/Rortex based systems[J]. Journal of Hydrodynamics, 2019, 31(2): 205-223.
[2]王义乾,桂南 第三代涡识别方法及其应用综述  水动力学研究与进展A辑, 2019, 34(4): 413-429.
[3]刘超群,Liutex-涡定义和第三代涡识别方法  空气动力学学报, 2020, 38(3): 413-431.

作者简介:

马峥, 1986年9月-1996年5月天津大学力学系攻读学士、硕士及博士学位;1996年5月-2004年5月上海大学博士后、讲师、副研究员;2004年5月至今中国船舶科学研究中心高工、研究员。曾任中国船舶科学研究中心上海分部副主任兼船型及综合性能研发室主任,现任上海中船编印社有限公司总经理,负责《水动力学研究与进展》A辑(SCOPUS)、《水动力学研究与进展》B辑(SCI,EI)、《中国造船》(EI)出版发行。

科研领域包括:湍流与流动稳定性、流体机械、船舶流体力学、智能控制系统等,主持或参与二十余项相关课题研究并发表科学论文五十余篇;获上海市科技进步二等奖一项、三等奖两项、中船重工科学技术三等奖一项、专利五项。

担任《水动力学研究与进展》副主编、《中国造船》编委、《力学季刊》编委等。

俞一飞于2018年从南京航空航天大学获得学士学位,专业是工程力学。他目前正在德州大学阿灵顿分校攻读博士学位,师从刘超群教授做一些关于涡识别和涡动力学方面的研究。

2020年第六届全国船舶与海洋工程CFD专题研讨会 征文通知

2020全国船舶与海洋工程CFD专题研讨会参会回执.doc (下载114)

近年来,随着计算机软硬件技术的飞速发展,计算流体动力学CFD技术在船舶与海洋工程领域得到日益广泛而深入的应用。国内相关高等院校、科研院所和船东船厂开展了大量基础性和应用性研发工作,取得了诸多创新成果。

2010年,中国造船工程学会船舶力学学术委员会和中国拖曳水池会议(CTTC)倡议召开“全国船舶与海洋工程CFD专题研讨会”,并由上海交通大学承办了第一届研讨会。此后,2012年由武汉理工大学承办了第二届研讨会,2014年由大连理工大学承办了第三届研讨会,2016年由江苏科技大学承办了第四届研讨会,2018年由中国船舶及海洋工程设计研究院承办了第五届研讨会。第六届全国船舶与海洋工程CFD专题研讨会将于2020年11月27-29日在广州召开,诚邀广大相关学者积极参会。

一、征文范围

本届会议的征文范围涉及但不限于如下CFD应用领域及其相关技术问题:

数值水池、海洋环境模拟、船舶阻力与推进、操纵性与耐波性、波-流-浮体非线性相互作用水动力学及环境载荷、船舶与海洋结构物水弹性与流固耦合、离岸与深海工程结构物水动力性能、水下航行器水动力性能、船舶与海洋工程仿生技术、基于数值模拟的船舶与海洋结构物设计与优化、船舶与海洋工程水动力学问题数值模拟新方法和新技术、空泡与涡流模拟、涡激振动与涡激运动、验证与确认(V&V)、不确定性分析(UA)等。

二、征文要求

请于2020年8月31日前通过电子邮件将论文题目与摘要发至华南理工大学会务组邮箱(cfd2020naoe@163.com),2020年9月30日前提交全文。论文全文经组委会评审通过后,将于2020年10月31日前向作者发出会议邀请函。

所投论文应是尚未公开发表过的,会议论文集将以纸质或电子文档方式提供给会议代表。论文可使用中文或英文撰写。论文应包括论文题目、作者姓名及单位、通讯地址及邮编、联系电话(手机)、E-mail地址、论文摘要、论文内容、参考文献等。征文咨询邮箱:cfd2020naoe@163.com。

组委会将从论文集中评选出部分优秀论文,征得作者同意后,在《中国造船》杂志以专辑增刊形式发表。

主办单位:中国造船工程学会船舶力学学术委员会CFD学组

承办单位:华南理工大学土木与交通学院船舶与海洋工程系

2020年08月5日

以诗情画意之美,增益力学之美;以力学之美,欣赏诗情画意之美

以诗情画意之美,增益力学之美;以力学之美,欣赏诗情画意之美
我国是一个诗词的国度,有灿烂的诗歌文化,唐宋诗词更是我国文学史上一颗璀璨的明珠。古代诗词中有大量对力学现象的精美描写,体现了诗人对力学现象入细入微的观察与力学理性的思考。
通过欣赏古代诗词中对力学现象精湛描述的名篇佳句,将诗情画意与近代力学的发展交融在一起,将科学与艺术融于一体,使欣赏性、知识性、趣味性、科学性巧妙结合,以情、景、声、乐、视、画、图、文并茂的形式,生动鲜明的讲述方式,深入浅出、引人入胜地把力学原理和内在规律介绍给最广大范围的读者。
通过运用力学原理深入浅出地讲解身边的力学现象和力学问题,一方面传播力学知识,同时从诗歌中欣赏力学之美,体验力学趣味,感受力学魅力。以诗情画意之美,增益力学之美;以力学之美,欣赏诗情画意之美。
姜楠教授主讲“诗情画意谈力学”,欢迎大家鉴赏。

北风卷地白草折1

北风卷地白草折2

春蚕到死丝方尽1

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但见流沫生千涡1

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第五章大风起兮云飞扬——漫话流动显示

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片花

轻于粉蝶瘦于蜂1

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野渡无人舟自横1

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夜半钟声到客船1

夜半钟声到客船2

涡识别应用–Liutex值计算代码下载

Rotex.c (下载247)

In the paper “The visualization of turbulent coherent structure in open channel flow” by Bai et al. (2019) -( https://doi.org/10.1007/s42241-019-0026-0 , share this article https://rdcu.be/b457g)

a code the author used is available above.

代码完成功能: 用于计算流场中的Liutex值

用法:同OpenFOAM中vorticity,Q等后处理工具,执行Rotex -case XXX

涡是流体力学中的重要现象,但迄今为止,人们对涡的认识还很模糊,还未能给出一个有物理意义和被广泛接受的定义方法。多年来人们尝试了多种方法,早期曾采用涡量方法,但后来发现涡量和涡结构的关联性不高。后来,又发展了多种以速度梯度张量特征值为代表的涡识别方法,如常用的Q,和等。但这些方法在实际使用过程中,研究者需要不停地调整阈值以获得一个主观确定的等值面效果。从2014年开始,美国德州大学阿灵顿分校的刘超群教授团队提出了涡识别方法和Liutex向量方法。涡识别方法定义为速度梯度张量反对称部分比上对称和反对称部分之和,当比值大于0.5可以认为旋转占优,其应用建议在0.52~0.6之间取值,可使得识别的涡结构基本保持不变。Liutex向量的核心思想是将涡量进一步分解为旋转部分(R)和非旋转部分(S),其中新分解出来的R部分代表流体运动的刚体旋转部分,其认为该空间矢量可用于表征旋涡结构。Liutex 给涡的研究提供了新的视角。

Call For Papers:International Symposium on High-Fidelity Computational Methods & Applications

Dec 14th ~16th, 2019 

Shanghai, China

Introduction & Objective

The original intention of organizing this symposium is to discuss recent advances of the high-fidelity methods and enhance deployment and industrial applications of the methods in complex fluid flows and related topics, which is enlightened by the 4th Nektar++ workshop 2019.

High-fidelity computational methods are emerging tools that underpin science and engineering. Due to the increasingly stringent precision requirements for industrial designs,  these methods have recently attracted even greater attention. This symposium will bring together world leading experts to discuss novel developments, new perspectives and industrial applications. The ultimate goal of the symposium is to expand the range of application of high-fidelity numerical tools in engineering practice.

During the symposium, a Nektar++ tutorial session will be run for the people who are interested in theories of spectral/hp element methods and parallel implementation of the methods. By the tutorial session, people will learn how to use Nektar++ to carry out high-fidelity high-efficient calculations and analyses for incompressible and compressible complex flows and how to write their own customized solvers by virtue of the Nektar++ hierarchical libraries.

Abstracts are invited on the research, application and deployment of high-fidelity methods with a particular interest in computational mathematics, aerodynamics and hydrodynamics.

Some Invited Speakers

Spencer J. Sherwin, FREng, Imperial College London

Pierre Sagaut, Aix-Marseille Université, France

Mike Kirby, University of Utah, USA

Joaquim Peiro, Imperial College London

David Moxey, University of Exeter, UK

Chris Cantwell, Imperial College London, UK

Bruno Carmo, University of São Paulo, Brazil

Sponsors

Imperial College London, UK

Journal of Hydrodynamics, China

Shanghai Jiao Tong University, China

State Key Laboratory of Aerodynamics, China

Science and Technology on Water Jet Propulsion Laboratory, China

Important Dates

Abstract Submission Deadline: Aug. 31, 2019
Abstract Acceptance Notification:    Sept. 15, 2019
Full paper submission (Optional):    Sept. 15, 2019
Paper review & acceptance: Sept. 30, 2019
Registration deadline: Nov. 30, 2019
Paper Presentation: Dec. 14-17, 2019

Papers dealing with any topics within the scope are all invited to be submitted online with an abstract up to 1000 words and figures can be included.

Registration Fee

Registration
Type:
EARLY BIRD
REGULAR
LATE
Before
Oct. 15, 2019
Oct. 16 to
Nov 30, 2019
After Dec. 1, 2019
Participant
600 USD,
3500RMB
700 USD,
4000 RMB
750 USD,
4500 RMB
Student
Participant
300 USD,
1500RMB
350 USD,
2000 RMB
375 USD,
2500 RMB
Accompany
-ing person
300 USD,
1500RMB
350 USD,
2000 RMB
400 USD,
2500 RMB

* Registration and submission should be done online. The website will be ready at the beginning of July. The website link will be mainly disseminated by Editorial board of JHD. Registration will not be completed until the full payment is received.

Conference Schedule

13rd Dec. (Friday), 2019

Registration, Reception, Meeting of executive committees

14th Dec. (Saturday), 2019

Opening ceremony, Invited lectures, Technical sessions, Banquet

15th Dec. (Sunday), 2019

Invited lectures, Technical sessions, Closing ceremony

16nd Dec. (Monday), 2019

Technical Tours

Contact

Hui XU

School of Aeronautics & Astronautics

Shanghai Jiao Tong University

Shanghai 200240, China

Department of Aeronautics

Imperial College London

Exhibition Rd, London SW7 2AZ

E-mail: dr.hxu@sjtu.edu.cn

Phone: +86 152 0219 2258