不可压缩平板边界层从层流突变为湍流的机理及湍流特性

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本文采用直接数值模拟(DNS)的方法,模拟了平板边界层的转捩过程及充分发展的湍流。在此基础上,研究了平板边界层转捩过程中breakdown的根本机理和充分发展湍流的若干重要特性,探讨了不同初始扰动对转捩的持续时间及转淚后的湍流边界层厚度的影响,得出了以下结论: 1.当层流中的扰动幅值增长时,通过非线性作用将修正平均流剖面。与此同时,非线性作用还将使更多的谐波被激发。但只有在平均流剖面的线性不稳定性区扩大后,才会有更多的谐波被快速激发并增大。这时就开始了转捩的breakdown过程。在此过程中,由于大量谐波的快速被激发并增大,导致了雷诺应力的快速增大,相应地其法向梯度也快速增大。这使得平均流剖面得以快速地被修正,流动得以快速地转变为湍流。 2.如果计算的初始扰动中的斜波在展向不是对称的,那么非线性作用会使得以后的展向平均流速一般也不为零。而展向平均流速的存在对线性稳定性分析的结果可能有很大的影响。实验中由于边界条件的不同,可能不会出现这种情况。计算中的展向平均流速可能不为零,表明在计算中所得到的湍流可能不是一个随机过程的问题。 3.在给定计算域情况下,不同的初始扰动引起的转捩的持续时间比较接近;在不同的计算域情况下,计算得到不同的初始扰动引起的转捩的持续时间不同。在给定计算域情况下,如果初始扰动在z方向不是对称的,那么,它们引起的转捩后平均边界层厚度与转捩起始点处边界层厚度的比值-δe/δb在相当长的时间内表现出相同的增长规律,这一增长规律与所加的初始扰动无关:如果初始扰动在z方向是对称的,那么,它们的-δe/δb在相当长的时间内表现出类似的增长规律。但是,z方向是对称的和非对称的表现出不同增长规律。 4.当接近充分发展湍流时,平均流剖面、无量纲亏损速度剖面、脉动均方根值、Reynolds应力具有相似性,这一性质对简化湍流计算可能会起到重要作用。不过,从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程,其间上述相似性不成立。湍流边界层近壁区存在相干结构,其主要表现是准流向涡或涡对。
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