中文摘要：

湍流的形成机制是目前悬而未决的重大科学难题之一，而射入分层环境流体的负浮力射流中的湍流由于负浮力和流体分层的影响具有其独特的形成机制。对处于从层流转捩到湍流的转捩区间的负浮力射流在分层环境流体中的动力学特性的研究有望了解流动失稳、卷积和湍流在负浮力射流和分层流体中的独特形成机制，因而具有十分重要的科学意义和理论价值。但目前尚未发现他人在这方面的研究结果报道。本项目将利用目前处于研究前沿的直接数值模拟方法和粒子图像测速法实验方法并配合标度分析方法对处于转捩区间的负浮力射流在分层环境流体中的三维瞬时流动动力学特性进行深入研究，确定射流失稳和发生卷积的临界Fr数和Re数及环境流体分层程度的影响,确定宏观特性参数与控制参数和结构参数之间的内在联系,探索湍流的形成机制。研究结果将为流体力学和湍流理论增添新的内容，并将促使我们尽快跻身于计算流体力学和湍流的世界研究前沿，提升我国在这方面研究的国际地位。

结论摘要：

对处于转捩区间的负浮力射流在分层环境流体中的失稳模式及湍流形成机制展开了深入的实验、数值模拟和标度分析研究，同时也对与其密切相关的非稳态自然对流、储热水箱中的三维流动动力学、以及它们在太阳能热水器和太阳能采暖通风等应用上的基础问题展开了研究，获得了一系列研究成果，为了解流动的失稳、卷积和湍流产生的内在规律以及为今后揭示湍流在负浮力射流中的独特形成机制提供了重要的数据和科学依据，因而具有较为重要的科学意义和理论价值。首次引入Rc和DR作为定量化特征参数，其中Rc为负浮力射流在特定高度上与环境流体的分界面所形成的曲面的面心偏离射流入口轴心的距离，表征负浮力射流轴对称性失去的程度，而DR则为分界面所形成的曲面上各点偏离具有与此曲面相同面积的圆的均方根，表征负浮力射流由二维流动转变为三维流动的变化大小。发现当Fr<6时，两者都随Fr而增加，但当Fr>6时，两者都不再随Fr而变化。当Re<200时，没有轴对称丧失产生；当200500时，两者都不再随Re而变化。首次发现射流与环境流体分界面上的最大切向速度是表征负浮力射流对称性失去和三维流动开始的临界Re和临界Fr的另一个有效参数。对圆形射流射入线性分层环境流体而言，发现当Fr=2时，临界Re在100和200之间；当Re=200时，临界Fr在1和2之间; 当Re或Fr增大时，对称性失去和三维流动出现会更早地发生在流动的发展阶段，且环境流体为分层时轴对称失去的程度比均匀时的大。首次对多个相同的圆形射流之间的相互作用开展了PIV实验和三维直接数值模拟研究。发现相互作用以flapping运动和bobbing运动为主，且可分为稳态和非稳态两大类。在稳态相互作用中，这两种运动只在初始发展阶段出现，而在稳态时会消失。在非稳态相互作用中，它们不仅在初始发展阶段出现，而且在稳态时依然不会消失。此外，还发现非稳态相互作用可细分为3至4个子区间，并对每个区间的流动特征进行了详细分析。研究了竖直壁上由恒定和非恒定热流密度引起的非稳态自然对流边界层流动的瞬时行为。通过标度分析和直接数值模拟结果建立了描述流动特征的主要参数与控制参数之间在不同流动发展阶段的各种标度关系式。迄今为止已在国际期刊上发表论文7篇（SSCI收录6篇，EI收录4篇），国际会议上7篇，国内期刊上9篇，较好地完成了预定的计划。