过渡Reynolds数下Stokes层的间歇湍流特性

针对典型的过渡Reynolds数Re=495,以壁面的表面粗糙度为激励,用数值模拟的方法研究了Stokes层的间歇湍流特性,分别从壁面平均速度梯度、平均速度剖面以及Reynolds应力等方面进行了分析.发现平均速度剖面在一个周期的大部分相位下并不符合对数律,只有减速阶段的极少数相位处与对数律符合得较好;将Reynolds应力与不可压缩边界层的结果进行了对比,发现两者从分布上很相似,包括峰值大小及位置,但二者在湍流核心区存在较大的差异.以上特性显示出Stokes层过渡阶段间歇湍流的强非平衡性.

Stokes层的流动特性研究综述

Stokes层是一种典型的非定常流动,常见于波浪或潮汐作用下的水体底部。近年来关于Stokes特性的研究引起了国内外广泛的重视,尤其对其稳定性、转捩及湍流特性等方面的研究有助于人们进一步认识非定常流动的特性。综述了Stokes层的研究现状,包括实验、理论及数值模拟等方面,并指出了目前需要进一步探讨的问题。

壁面的表面粗糙度引起的Stokes层亚临界不稳定性

用数值模拟的方法研究了二维壁面的表面粗糙度下Stokes层的非线性亚临界不稳定性问题.发现当粗糙度高度极小时,响应系数曲线与线性情况就会产生较大偏离.随着粗糙度高度的增加,扰动1阶谱会出现亚谐波的成分,粗糙度高度的进一步增加使扰动1阶谱进入混乱阶段,显示出亚临界失稳的过程.根据粗糙度高度与扰动1阶谱演化的特征关系,定义了临界粗糙度高度,并给出临界粗糙度高度与雷诺数的关系曲线.结果表明:临界粗糙度高度随着雷诺数增大而减小.雷诺数为300左右时,微米量级的粗糙度高度就可能引起Stokes层的亚临界失稳,发生转捩,由此也可以给出实验中观测到的转捩通常都发生在雷诺数为300附近的原因.

边界层控制:从微扰到改造

在大雷诺数下,边界层是把双刃剑。为了保持并增强它的有利效应(如附着边界层提供的升力),并抑制它的有害效应(如摩阻、失稳和转捩成湍流、分离导致的失速和非定常旋涡流动、噪声、气动加热等),一百多年来,边界层控制一直是流动控制研究的首要任务。21世纪以来,在高性能生物流动的启发下,人们开始对边界层本身的改造,使之变成外部势流和固壁之间的低剪切隔离层,从而回归能达到极高升阻比的无旋绕流,即逼近Lighthill提出的所谓“d’Alembert定理”(而不是d’Alembert佯谬)这个战略目标。本文阐述控制和改造的物理基础,介绍了在第一阶段用微激振控制边界层分离与分离流的案例,以及在第二阶段用柔壁行波和超疏水微结构把边界层改造成低剪切隔离层的进展。同时解释了不失速的高升力产生机制。