高超音速零攻角尖锥边界层转捩的机理

先计算出高超音速零攻角尖锥边界层的定常层流流场．然后在计算域的入口引入两组有限幅值的T-S波扰动,对空间模式的转捩过程进行了直接数值模拟．分析了转捩过程的机理,发现平均流剖面稳定性的变化是其关键．并进一步讨论了不同模态初始扰动在高超音速尖锥边界层中的演化规律．     

PSE在可压缩边界层转捩问题中的应用

提出了用抛物化稳定性方程（PSE）预测层流-湍流转捩的一种新的概念．它被试用于平板可压缩边界层转捩位置的预测问题中,并将结果与直接数值模拟（DNS）所得进行比较．结果二者符合情况令人满意．二者符合的原因在于PSE方法准确地再现了层流-湍流转捩中导致breakdown过程的机理,即平均流剖面的修正导致其稳定性特性的明显改变．     

零攻角小钝头钝锥高超音速绕流边界层的稳定性分析和转捩预报

研究了零攻角小钝头圆锥高超音速边界层的稳定性及转捩预测问题．小钝头的球头半径为0.5 mm,锥的半锥角为5°,来流马赫数为6．采用直接数值模拟方法得到了钝锥的基本流场,利用线性稳定性理论分析了等温壁面和绝热壁面条件下的第一、第二模态不稳定波,并用“e-N”方法对转捩位置进行了预测．在没有实验给出N值的情况下,暂取N为10．研究发现,壁面温度条件对于转捩位置有较大影响．绝热边界层的转捩位置比等温边界层的靠后．且尽管高马赫数下第二模态波的最大增长率远大于第一模态波的最大增长率,但绝热边界层的转捩位置是由第一模态不稳定波决定的．研究方法应能推广到有攻角的三维边界层流动的转捩预测．     

二维超音速边界层中三波共振和二次失稳机制的数值模拟研究

通过直接数值模拟的方法,探讨在超音速边界层的转捩问题中,是否存在和不可压缩流情况相似的产生亚谐波的机制．结果表明,三波共振和二次失稳这两种机制都存在．讨论了这两种机制在层流至湍流的转捩中的重要性是否的确很大的问题．     

PSE在边界层中预测转捩位置的应用

层流到湍流的转捩是自然界和各项工程实践中广泛存在的现象,层流和湍流的性质大不相同．因此,预测转捩位置是流体力学中的重要理论和实际问题．针对不可压缩边界层,入口加入展向等幅值型和展向波包型两类扰动,展向等幅值型扰动是由一个二维波(2-D)和两个三维波(3-D)组成,使用抛物化稳定性方程(PSE)的方法来研究扰动的演化和预测转捩位置,并且与数值模拟的结果相比较．结果表明,PSE可以研究扰动的演化和预测转捩位置,同时其计算比数值模拟快得多．     

计算可压缩边界层转捩及湍流的一种新方法——PSE＋DNS

提出了一种计算可压缩边界层转捩及湍流的新方法,它尤其适用于从小扰动开始的转捩及湍流计算.在层流阶段,直至转捩中的breakdown开始前,用抛物化稳定性方程(PSE)计算.然后用直接数值模拟(DNS)计算转捩过程和湍流,其入口条件是用PSE方法在该处得到的扰动.在两个测试算例中,包括亚音速和超音速边界层,此法得到的转捩位置和湍流都与只用DNS计算整个过程所得的一致.使用该方法的优点在于计算量比只用DNS方法小得多.     

边界层流中当地感受性过程的数值研究

边界层流中当地感受性问题的研究对层流向湍流转捩过程的预测与控制起着非常关键的作用,尤其是对边界层内诱导产生三维Tollmien-Schlichting(T-S)波成因过程的探讨具有更加重要的理论意义.采用高精度、高分辨率变间距的紧致有限差分方法,直接数值模拟了在自由来流湍流与二维壁面局部粗糙相互作用下边界层内的当地感受性问题.数值计算发现,在自由来流湍流与二维壁面局部粗糙作用下,边界层内诱导形成的当地感受性过程是真实存在的;且被激发的一组三维T-S波波包沿流向发展的过程中流向涡结构将逐渐形成,其强度将越演越烈.数值结果还显示,边界层内被诱导产生当地感受性过程的波长转换机制仅使流向波数发生改变,而展向波数保持不变;以及自由来流湍流运动方向的改变将决定三维T-S波波包的传播方向,但其传播速度的大小都近似为无穷远来流速度的1/3.另外,还建立了自由来流湍流的强度和运动方向以及二维壁面局部粗糙的长度和高度与边界层内的当地感受性问题之间的关系等.这一课题的深入研究,将在进一步理解和认识层流向湍流转捩的理论机制,以及湍流的形成机理等方面均起到十分重要的作用.     

PSE在超音速边界层二次失稳问题中的应用

用抛物化稳定性方程（PSE）研究超音速边界层中的二次失稳问题．结果显示无论二维基本扰动是第一模态还是第二模态的T-S波,二次失稳机制都起作用．三维亚谐波的放大率随其展向波数和二维基本波幅值的变化关系与不可压缩边界层中所得类似．但是,即使二维波的幅值大到2％的量级,三维亚谐波的最大放大率仍远小于最不稳定的第二模态二维T-S波的放大率．因此,二次失稳应该不是导致超音速边界层转捩的主要因素．     

小攻角高超声速钝锥边界层中不同扰动对转捩的影响

为了研究上游不同扰动对转捩位置的影响,针对来流Ma=6,攻角1°,半锥角5°的钝锥边界层的转捩进行了数值模拟．首先研究了边界层中小扰动的演化,与流动稳定性理论进行了对比,结果表明:在所考虑的流场中,流动稳定性线性理论可以对扰动的增长率做出一个较好的预测．在此基础上,研究了不同扰动对转捩位置的影响．计算给出了在两种不同频率分布的扰动情况下,转捩位置沿周向的分布．结果表明,转捩位置沿周向分布与入口扰动的幅值和频率有关．某子午面的转捩位置由该处的最不稳定波在入口的幅值决定．根据大多数风洞中背景扰动的特性,解释了小攻角圆锥转捩实验中背风面先转捩,迎风面后转捩的现象．同时,还解释了在背风面附近转捩位置“凹陷”的现象．     

湍流边界层底层相干结构的一个理论模型*

本文采用非线性稳定性分析方法,研究了湍流边界层底层相干结干结构的成因.计算得到的增长最快的不稳定波的展向尺度与纵向尺度都与实验相符.这一分析的特点是采用了不同于湍流平均速度剖面的更合理的速度剖面作为稳定性分析的基础,并采用了新的非线性理论.文中结果有助于理解湍流边界层底层相干结构的拟有序现象.     

Nonlinear dynamics in the initial-boundary value problem on the fluid flow from a ledge for the hydrodynamic approximation to the boltzmann equations

We numerically analyze the laminar-turbulent transition in the problem on the flow of a viscous incompressible fluid from a ledge. To model the fluid flow, we use the Boltzmann integro-differential equations expanded in the Knudsen number. For the fundamental analysis, we use a numerical method of increased accuracy for the integration of the initial-boundary value problem. By analyzing the phase portraits of the behavior of the system, we find that the transition from a stationary solution to an irregular chaotic one takes place in accordance with the Feigenbaum-Sharkovskii-Magnitskii scenario. Moreover, the transition process differs from the results obtained by using the Navier-Stokes equations for solving a similar initial-boundary value problem.     

Asymptotic description of incipient separation bubble bursting

The appearance of short laminar separation bubbles in high Reynolds number (Re) wall bounded flows due to appropriate adverse pressure gradient conditions is usually associated with minor effects on global flow properties (e.g. lift force). However, localized reverse flow regions are known to react very sensitively to perturbations and in further consequence may trigger the laminar-turbulent transition process or even cause global separation. The present investigation of marginally separated boundary layer flows is based on an asymptotic approach Re → ∞. Special emphasis is placed on solutions of the corresponding model equations which blow up within finite time indicating the ejection of a vortical structure and the emergence of shorter spatio-temporal scales reminiscent of the early transition scenario (‘ bubble bursting’ ). Within the framework of marginal separation theory, an alternative adjoint operator method is used to formulate evolution equations governing the viscous-inviscid interaction process in leading and higher order correction required for the study of later stages of the flow development. Their blow up structure specifies the initial condition of and the match to the subsequent triple deck stage. (© 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Nonlinear dynamics of laminar-turbulent transition in three dimensional Rayleigh–Benard convection

This paper proposes a new approach to analysis of incompressible 3D fluid motion in Rayleigh–Benard convection in transition from laminar to turbulent regimes. Number of test series were conducted. The analysis indicated that in different test series laminar-turbulent transition follows either the subharmonic bifurcation cascade of two-dimensional tori or the subharmonic bifurcation cascade of limit cycles. Cycles up to the third period were found in the system that indicated the end of the Sharkovskii sequence. All bifurcation cascades agree with the Feigenbaum–Sharkovskii–Magnitskii (FSM) scenario.     

The stability of the boundary layer on a compliant rotating disc

The boundary layer over a infinite rotating disc is 3D and offinite depth. The breakdown and eventual transition of flowover the surface is preceded by the emergence of crossflow vorticesthat are stationary with respect to the disc. These result froman inviscid instability mechanism associated with an inflexionpoint within the boundary layer's velocity profile or a mechanisminduced by the balance between viscous and Coriolis forces.It has been seen in past studies that compliance can substantiallypostpone the onset of transition, therefore the aim of thisresearch is to investigate whether compliance can be used asa useful tool to do so here. We use numerical and asymptoticmethods to predict possible behaviour by calculating growthrates and producing neutral solutions for the wave number andorientation of both inviscid and viscous modes. The resultsobtained suggest that the inviscid mode of instability willbe stabilized by compliance but the viscous mode will be greatlydestabilized.