变截面管流的稳定性与转捩机制的研究

管流普遍存在于工程设备和生物体中，与人们的日常生活息息相关。当需要强化动量、能量和质量交换时，应促使管内从层流向湍流的转捩尽快发生，变截面管既是方法之一。管流的转捩机制作为一个世纪难题至今仍是流体力学的关键前沿课题之一，而变截面管流问题又进一步增加了研究的挑战性和复杂性。.. 本项目将采用理论、数值模拟和实验相结合的方法对截面在轴向小幅值变化的管流进行研究。首先通过对新建物理模型的稳定性分析研究该类管流的失稳机制，给出流场对称破缺所需的物理条件，进而针对不同的物理条件进行数值模拟和物理实验，研究流动结构的时空演化及其对动量输运的影响。在此基础上进一步分析管流对小幅变化壁面的感受性，探索对变截面管流转捩过程进行优化控制的途径。

管流普遍存在于工程设备和生物体中，与人们的生产生活息息相关。管流的失稳与转捩机制是流体力学的前沿课题之一，而变截面管流问题又进一步增加了研究的挑战性和复杂性。. 我们首先建立了变截面管的波纹壁模型，解析地给出了波纹管对平均流场的非线性贡献；再通过稳定性分析，确定了管流失稳的临界阈值，从而给出了波纹壁诱发失稳的机制。进一步地，通过引入描述管壁变化特征的形状因子获得了关于壁面摩擦系数和雷诺数在层流区、转捩区和湍流区均适用的标度关系式。通过系统地数值模拟，我们分析了不同的截面变化形式（壁面粗糙元）对近壁流场和磨阻的影响，对粗糙元形状进行了减阻优化并进行了物理实验验证。. 通过统计分析管流和槽流的实验及数值模拟数据，给出了粘性剪切流统一的转捩阶段序列。通过分析流体微团的能量方程，给出了一个新的控制参数：局部雷诺数。当用该参数表征转捩序列时，管流和槽流在不同阶段的临界阈值基本一致，而采用传统的雷诺数定义则相差几倍。该结果定量地说明了不同的粘性剪切流的转捩机制的一致性。. 这些结果将有助于人们理解管流的转捩机制，并为高效的转捩控制提供理论基础。