文章编号:
1674-7070(2012)04-0330-04
近壁湍流边界层相千结构形成的动力学分析
沈露予
1
陆昌根
1
赵玲 慧
1
摘要
以壁面脉冲扰动来构建湍流边界层
近壁区对称与非对称相干结构理论模
式,采用直接数值模拟的方法,研究了湍
流边界层近壁区对称与非对称相干结构
形成的理论机制和演化规律.计算结果
显示非对称相干结构比对称相干结构更
容易增长,这是由于非对称型结构能在
湍流边界层近壁区域诱导产生较大的展
向扰动速度,且不同初始结构类型分布
对湍流边界层近壁区相干结构形成的动
力学机制不同所致,从而加深了对近壁
湍流边界层单个相干结构形成的某种动
力学机制的认识理解
.
关键词
近壁湍流边界层;壁面脉冲扰动;相
干结构
中图分类号
V211.3
文献标志码
A
收稿日期
2011-05-19
资助项目国家自然科学基金(
10872097
);国
家
863
计划专项(
2009AA03Z107)
作者简介
沈露予
,
男,硕士生,研究方向为数值模
拟
.shenluyu99@ gmail. com
陆昌根(通信作者)男,博士,教授,博士
生导师,主要从事湍流与流动稳定性、数值方
法与计算流体力学方面的研究工作
.
cglu@ nuist. edu. cn
1 南京信息工程大学大气科学学院
,
南京,
210044
0
引言
2 0
世纪中叶,
Kline
等在湍流边界层近壁区域发现了相干结
构,为人们进一步理解湍流产生的机理开辟了
一个新的研究课题,这
不仅有助于认识湍流运动的本质,也能通过控制相干结构来达到控
制湍流运动的目的
.
在湍流研究中,相干结构的研究占有很重要的地
位,尤其是湍流边界层近壁区域中的相干结构是湍流生成、维持及湍
流能量输运过程中的关键因素,它的研究将有助于了解湍流运动的
本质,以建立较合理的湍流模式.湍流边界层流动与众多工程技术问
题密切相关
.
出于工程技术发展的需要,人们也希望通过控制相干结
构来控制湍流运动,从而达到降噪、减阻、提高混合效果的目的.湍流
相干结构的研究一直是国际国内学者们所关注的热门课题,并已有
许多理论分析、实验观察和直接数值模拟的结果发现.湍流边界层近
壁区相干结构的许多特征与层流边界层转捩过程中的不稳定波性质
有相似之处.有学者采用不稳定波来构建近壁湍流边界层流中的相
干结构,获 得 了 一 些 有 意 义 的 成 果 但 是 ,由于对层流边界层转捩
过程中不稳定波产生原因的分歧以及在实际工程中不稳定波很难选
取等因素,还需人们寻求更普适的理论模型
.
另外,实验研究和直接
数值模拟已发现在湍流近壁区域内不仅存在对称的流向涡对,而且
绝大多数流向涡对都是以不对称扰动形式存在的[5].为了克服上述
构建湍流边界层流中的相干结构模型的局限,并借鉴已有的实验、理
论以及数值模拟结果,本文利用壁面局部脉冲扰动来创建湍流边界
层近壁区域中的对称和非对称相干结构的理论模式,用数值方法求
解其演化过程,详细分析湍流边界层近壁区域对称与非对称相干结
构形成和发展的动力学机理,获得一些有意义的成果,从而有可能合
理地解释湍流成因的机制,达到揭示湍流运动本质的目的,为航天航
空工程、水利工程以及海洋工程等其他工程学科提供可靠的理论
依据
.
1
基本方程与数值方法
三维非定常不可压无量纲
NaVier-Stokes(N-S
)扰动方程及连续性
方程
逆
+([▽)!/
+ (U •
V ) F = Vp+ -°AFV •
V
= 0
. ⑴
dt Re