光滑与粗糙边壁槽流的亚临界转捩机理研究

The laminar-turbulent transition is a key issue for optimized design of engineering applications because of the tremendous difference between the transportation properties of the laminar and the turbulent states. The subcritical transition in pipe flow has been an unsolved open problem of fluid dynamics and physics for more than a century. In comparison with the pipe flow, the channel flow with smooth boundaries increases the freedom of spanwise flow and hence owns more complex transition scenarios. In reality, no surface is absolutely smooth, and it becomes a more challenging work to study the transition in channels with rough walls...In this project, theoretical, numerical and experimental approaches are applied together to study the subcritical transition in channel flows. The main contents include: obtain the flow-field database at different transition stages of the channel flow with smooth boundaries by extensive direct numerical simulations, and study the spatio-temporal evolution of the characteristic turbulent structures; develop a multi-dimensional dynamic model for the subcritial transition in channel flows and reveal its intrinsic mechanism; obtain the friction factor and the statistics of the flow field at the laminar, transitional, and turbulent states of the channel flows with rough boundaries and study their dependencies on the roughness, providing theoretical basis for high-performance control strategies of the channel-flow transition.

由于层流和湍流在输运特性上的巨大差异，控制层流至湍流的转捩过程对实现工程优化设计至关重要。管流的亚临界转捩机制是流体力学和物理学至今仍未完全解决的难题。槽流同管流相比增强了展向流动的自由度，使得其转捩过程更为复杂。工程应用中的壁面没有绝对光滑的，而粗糙边壁槽流的转捩问题进一步增加了研究的挑战性。.. 本项目将采用理论分析、数值模拟和物理实验相结合的方法对槽流转捩问题进行研究。其内容包括：通过大规模直接数值模拟和实验测量，建立光滑壁槽流流场在各个亚临界转捩阶段的完整数据库，定量刻画转捩中特征湍流结构的时空演化规律；建立描述转捩区特征湍流结构形态演化的多维动力学模型，揭示槽流的亚临界转捩机制；通过对粗糙边壁槽流的实验测量和数值模拟，获得从层流区经转捩区至湍流区的摩擦阻力系数和脉动速度场统计特性及其对粗糙度的依赖关系，为发展粗糙壁槽流转捩的高效控制方法提供理论支撑。

层流和湍流在输运特性上存在巨大差异，对层流-湍流转捩的深刻认识对工程应用中实现流动控制和优化设计至关重要。管流的亚临界转捩机制是流体力学和物理学近140年的未解难题，而槽流同管流相比增加了展向流动的自由度，使得其转捩过程更为复杂。工程应用中的壁面没有绝对光滑的，粗糙边壁的影响进一步增加了槽流转捩研究的挑战性。.. 本项目通过流动稳定性分析、流体动力学建模、数值模拟和物理实验，对槽流的亚临界转捩问题取得如下主要进展。..(a) 通过大计算域的大规模并行数值模拟，发现槽流转捩的临界雷诺数下界并非以往公认的1000左右，而是大幅提前至660，该发现已获得本课题组和欧洲研究团队的实验证实。.(b) 通过数值模拟和实验研究，发现在槽流转捩之初的特征流动结构并非湍斑而是湍流带；其流态也并非平衡态湍流而是稀疏湍流态。因此国际主流采用的DP(定向逾渗)理论并不适用于槽流转捩初始阶段，该观点已逐渐被国际学术界所认可。.(c)首次基于流体动力学方程(NS方程)建立了描述转捩特征流动结构的动力学模型，进而揭示了此类结构的对流速度本质上是平均流修正流场的孤立波波速。依据能量方程和保形近似，首次理论解释了转捩区特征结构衰减寿命与雷诺数的标度关系、解析地推导出了亚临界转捩的阈值雷诺数。.(d)获得了迄今最为系统的粗糙壁槽流的转捩实验数据，发现在出现局地湍流带之前摩擦阻力系数已偏离层流解，命名为修正层流态。进一步地，通过粗糙微元模型解释了其摩阻系数随雷诺数变化的标度关系。提出并定义了粗糙槽道的名义槽高和名义粗糙高度，从而实现了不同粗糙壁槽流粗糙函数的归一化，更好地表征了粗糙壁面槽流的摩阻系数随雷诺数的变化规律。