旋涡强度对边界层旁路转捩影响的实验研究

The interaction between the blunt body wake and the laminar boundary layer is a basic and important research field in fluid mechanics. The bypass transition of the boundary layer induced by the wake has a huge impact on the performance of some engineering machines. Since one of the most important characteristics of the blunt body wake is that it contains large periodic vortices, this research proposal is aimed at investigating the mechanism of boundary layer bypass transition induced by the wake and the effects of the wake vortex strength on the bypass transition process. The investigation will be carried out in a water channel using hydrogen bubble visualization and particle image velocemetry techniques. Various analyzing methods, such as wavelet transformation, dynamic mode decomposition and vortex identification method etc., will be used. The boundary layer receptivity to turbulent wake perturbations and the disturbance magnification mechanism in the boundary layer will be explored. The interaction between the wake vortex and the coherent structures in the boundary layer, and the evolution of the coherent structures would be investigated. Comparison will be made on the bypass transition statistics and transition scenarios to quantify the effects of the wake vortex strength, in a hope to promote the understanding of the mechanism of the wake induced bypass transition, and also provide a new idea and scientific basis for bypass transition control.

钝体绕流尾迹与层流边界层相互作用是流体力学的基本问题，尾迹诱导的边界层旁路转捩对许多工程机械的性能有很大的影响。本申请针对钝体尾迹中包含大尺度旋涡这一主要特征，研究不同尾迹涡强度影响下边界层的旁路转捩机理及影响规律。在水槽中应用氢气泡流动显示和粒子图像测速技术对该问题进行实验研究。综合运用小波分析、动力学模态分解和涡辨识等多种数据处理技术，分析边界层对外部湍流尾迹的感受性、扰动在边界层内的放大机制、尾迹涡与边界层内的拟序结构的相互作用、拟序结构在边界层的演化过程和定量化的统计特征。对不同强度尾迹涡影响下的转捩过程进行对比和划分，得到定量化的影响规律，加深对尾迹诱导的边界层旁路转捩机理的认识，并且为今后旁路转捩的控制提供新的思路和科学依据。

尾迹与边界层相互作用在在工程上有许多应用，比如大型飞机多段翼和航空发动机多级叶片的设计。本实验采用定性的氢气泡流动显示和定量的粒子图像测速（PIV）技术，研究了不同强度尾迹涡与边界层相互作用规律，重点关注了边界层的旁路转捩机理。研究结果表明，流场的统计特性和拟序结构演化取决于尾迹与边界层的相互作用强度 （G/D, G 为圆柱高度，D为圆柱直径）。随着G/D的降低，边界层内扰动增长加快。当G/D≤2.0， 壁面边界层会产生分离并形成二次涡。 当 G/D=2.0，二次涡与下尾涡无直接相互作用；当G/D=1.0，二次涡与下尾涡发生直接相互作用；当G/D=0.5，会发生二次涡、下尾涡、上尾涡之间复杂的三涡相互作用。采用本研究提出的虚拟粒子追踪技术可以对涡-涡相互作用进行了很好的显示。以G/D=2.0为典型工况深入研究了边界层从层流转捩为湍流的全过程。采用有限时间李雅普诺夫指数（FTLE）方法提取了流场中的瞬时拉格朗日拟序结构，从朗格朗日角度观测了转捩过程中拟序结构的演化规律及统计特性，结果显示二次涡失稳形成的Λ涡会进一步演化成为马蹄涡，马蹄涡再通过自繁殖和自组织形成大尺度的马蹄涡包。利用FTLE定量化的特性，提取出了拉格朗日拟序结构的对流速度，并且首次得到了拉格朗日拟序结构倾角在边界层内不同高度的分布，更进一步研究了这一几何特征从层流到湍流的变化规律。本研究揭示了不同尾迹强度对边界层旁路转捩的影响规律，增进了对钝体尾迹影响下边界层旁路转捩机理的认识。为今后钝体尾迹诱导边界层旁路转捩的控制提供新的思路和科学依据。