自由来流湍流与三维壁面局部粗糙诱导平板边界层不稳定T-S波的数值研究

采用直接数值模拟（DNS）方法,研究了在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下平板边界层内诱导产生不稳定T-S波的物理问题.数值结果可知,在平板边界层内发现了二维和三维T-S波组成的波包空间序列以及求得了波包向前传播的群速度大小,从而证明了自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用是激励平板边界层内诱导产生不稳定T-S波的一种机制.随后,建立了平板边界层内被激发的二维和三维T S波的初始幅值与自由来流湍流度,三维壁面局部粗糙的流向长度、展向宽度及法向高度之间的关系.这一问题的深入研究,进一步完善了流动稳定性与湍流理论.     

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.     

湍流边界层近壁区单个相干结构的模拟 *

提出了湍流边界层近壁区单个相干结构的理论模型 .用数值模拟的方法研究了它们的演化 ,结果发现在很多方面它们与实验观测到的特性相符 .     

三维扰动波的非平行边界层稳定性研究

导出了三维扰动波的原始变量形式的抛物化稳定性方程（PSE）,研究了三维空间模态TS波的非平行边界层稳定性问题.采用了法向四阶紧致格式,以提高计算精度.通过给出不会导致奇性的坐标变换、修改外边界条件以及克服平行流初始值的瞬态影响和推进步长的限制,保证了计算的数值稳定.用补全元素带状矩阵法求解块三对角矩阵,大大提高了速度.计算结果清楚地显示了三维扰动波的演化过程和非平行性对边界层稳定性的影响,特别是,观察到非平行性对三维扰动波的影响,有时会使其稳定性出现逆转的现象.还研究了逆压梯度的作用.算例的结果与其他结果符合良好.     

前缘曲率变化对平板边界层感受性问题的影响

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,是实现边界层转捩预测和控制的关键环节.目前已有的研究成果显示,在声波扰动或涡波扰动作用下前缘曲率变化对边界层感受性机制有着显著的影响.本文采用直接数值模拟方法,研究了在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘平板边界层感受性问题,揭示椭圆形前缘曲率变化对平板边界层内被激发出Tollmien-Schlichting (T-S)波波包的感受性机制以及波包向前传播群速度的影响;通过快速傅里叶分析方法从波包中提取获得了不同频率的T-S波,详细分析了前缘曲率变化对不同频率的T-S波的幅值、色散关系、增长率、相速度以及形状函数的作用;确定了前缘曲率在平板边界层内激发T-S波的感受性过程中所占据的地位.通过上述研究能够进一步认识和理解边界层感受性机制,从而丰富和完善了流动稳定性理论.     

壁面局部吹吸边界层感受性的数值研究

目前理论、实验以及数值模拟主要研究自由来流中的小扰动与壁面局部粗糙相互作用激发边界层感受性问题. 但是, 针对自由来流湍流与壁面局部吹吸相互作用诱导边界层感受性的相关报道甚少. 本文采用直接数值模拟和快速傅里叶变换的方法, 数值研究了二维平板壁面具有局部吹吸的边界层感受性问题. 结果发现, 在二维边界层内能找到一组被激发产生的Tollmien-Schlichting(T-S)波波包的包络序列以及从波包中能够分离出一组稳定的、中性的和不稳定的T-S波, 证明了二维边界层内感受性现象的存在性. 经数值计算获得了T-S波波包传播的群速度; 并建立了自由来流湍流强度、壁面局部吹吸强度和长度与二维边界层感受性之间的关系, 获得了与Dietz感受性实验相类似的结论. 另外, 还发现在自由来流湍流与壁面局部吹、吸相互作用下能诱导二维边界层内产生相位相反的T-S波. 依据这一理论机理来优化设计局部吹吸装置, 不但能促使层流向湍流转捩的提前, 也可以延迟转捩过程的发生, 达到控制湍流运动的目的.     

湍流边界层近壁区多个相干结构的数值模拟

从流动稳定性理论中的一般共振三波概念出发,提出一种湍流边界层近壁区多个相干结构的理论模型,采用高精度差分格式和Fourier谱展开相结合的方法,求解三维不可压Navier-Stokes方程,直接数值模拟近壁湍流多个相干结构的演化问题.并将得到的湍流边界层近壁区多个相干结构的数值演化特性与实验观察到的特性进行了比较.     

三维边界层内诱导横流失稳模态的感受性机理

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,在转捩过程中起关键性作用,尤其是三维边界层流动.因此,研究三维边界层感受性问题对进一步理解层流向湍流转捩机理以及湍流成因具有重要的理论意义.采用数值方法研究自由来流湍流与三维壁面局部粗糙相互作用下三维边界层的感受性问题,确定是否能在三维边界层内寻找一种新的横流失稳模态;确定在何种条件下三维边界层内能诱导出定常、非定常的横流失稳模态;探索自由来流湍流的强度、展向波数和法向波数以及三维壁面局部粗糙的大小和结构类型等因素在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下三维边界层内被激发出的感受性过程中有何影响,并确定何种横流失稳模态在三维边界层感受性过程中占据何种地位.对自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用激发三维边界层内感受性问题的深入研究,将有助于完善流动稳定性与湍流理论,为层流向湍流转捩过程的预测与控制提供合理的理论依据.     

前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的影响研究

三维边界层感受性问题是三维边界层层流向湍流转捩的初始阶段,是实现三维边界层转捩预测与控制的关键环节.在高湍流度的环境下,非定常横流模态的失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因;但是,前缘曲率对三维边界层感受性机制作用的研究也是十分重要的课题之一.因此,本文采用直接数值模拟方法研究在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘三维（后掠翼平板）边界层内被激发出非定常横流模态的感受性机制;揭示不同椭圆形前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的扰动波波包传播速度、传播方向、分布规律、感受性系数以及分别提取获得一组扰动波的幅值、色散关系和增长率等关键因素的影响;建立在不同椭圆形前缘曲率情况下,三维边界层内被激发出非定常横流模态的感受性问题与自由来流湍流的强度和运动方向变化之间的内在联系;详细分析了不同强度各向异性的自由来流湍流在激发三维边界层感受性机制的物理过程中起着何种作用等.通过上述研究将有益于拓展和完善流动稳定性理论,为三维边界层内层流向湍流转捩的预测与控制提供依据.     

三维边界层内定常横流涡的感受性研究

层流向湍流转捩的预测与控制一直是研究的前沿热点问题之一,其中感受性阶段是转捩过程中的初始阶段,它决定着湍流产生或形成的物理过程.但是有关三维边界层内感受性问题的数值和理论研究都比较少;实际工程问题中大部分转捩过程都是发生在三维边界层流中,所以研究三维边界层中的感受性问题显得尤为重要.本文以典型的后掠角45?无限长平板为例,数值研究了在三维壁面局部粗糙作用下的三维边界层感受性问题,探讨了三维边界层感受性问题与三维壁面局部粗糙长、宽和高之间的关系;然后,考虑在后掠平板上设计不同的三维壁面局部粗糙的分布状态、几何形状、距离后掠平板前缘的位置以及流向和展向设计多个三维壁面局部粗糙对三维边界层感受性问题有何影响;最后,讨论两两三维壁面局部粗糙中心点之间的距离以及后掠角的改变对三维边界层感受性的物理过程将会发生何种影响等.这一问题的深入研究将为三维边界层流中层流向湍流转捩过程的认识和理解提供理论依据.