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。