后向台阶层流分离剪切层转捩机理的实验研究

后向台阶流动是一种最简单的二维分离-再附流动，但却包含了分离-再附流动的所有主要特征，在工业部门有着广泛的应用，研究后向台阶流动具有重要的学术研究意义和工业应用价值。本项目拟通过水槽实验研究后向台阶在过渡区中的流动特性和机理：在过渡区中，分离后的层流剪切层在稳定性机制作用下在再附之前即发生向湍流状态的转变，其流态与层流分离层流再附及湍流分离湍流再附的情况明显不同。该流动的非定常性体现在剪切层和再附点的拍动，流动的三维化表现为剪切层的三维演化，但目前对拍动现象的内在机制和三维化的物理图景缺乏深刻认识。本项目拟以流动显示和PIV测速为主，综合运用旋涡辨识技术和POD模态分解方法，从涡-涡相互作用的角度出发，研究剪切层和再附点的拍动特性、拍动的产生机理以及自由剪切层三维化的涡动力学机制，为弄清层流分离剪切层转捩现象中的剪切层不稳定性、旋涡相互作用、湍流自维持等问题提供新的依据。

后向台阶流动是一种最简单的二维分离-再附流动。其分离点固定、起始边界条件相对简单，但却包含了分离-再附流动的所有主要特征，因此是研究分离-再附流动的重要简化模型，具有重要的学术研究价值。本项目主要针对后向台阶分离-再附流动在过渡区的流动特性和机理。重点研究了雷诺数对剪切层转捩特性的影响、剪切层和再附点的拍动特性、以及剪切层中大尺度涡结构的动力学演化过程。这些研究内容与原计划吻合。因新增加了可靠流场诊断和统计分析工具的研究内容，故未能按计划完成原定剪切层三维化的实验测量，将在今后在自然基金青年-面上项目连续项目的资助下继续该部分研究。. 项目研究将流动显示和PIV流场测速技术有机的结合起来，建立了高质量的时间解析二维PIV速度场数据库。较为系统的研究了雷诺数对剪切层再附特性、转捩开始位置、旋涡卷起位置的影响规律，确定了剪切层转捩特性的临界雷诺数。综合运用先进的旋涡辨识技术与统计分析方法，细致刻画了剪切层中大尺度旋涡的动力学演化行为，描述了条件平均旋涡的动力学参数的沿程发展，首次从PIV速度场中定量观测到旋涡合并的过程。. 在本项目资助下，目前已发表SCI检索论文五篇、EI检索论文一篇、国际学术会议论文四篇、国内学术会议论文两篇，获批国家发明专利两项。代表性成果包括：依托本项目开发了新的旋涡辨识技术，相关研究论文发表在流体力学国际权威期刊Journal of Fluid Mechanics上；对于固壁剪切层转捩的综述性论文发表在国内力学届唯一的综述刊物《力学进展》；在PIV实验中研发了透光玻璃光学畸变检测技术，能够部分解决PIV测量中遇到的透光玻璃光学畸变问题，该技术获国家发明专利。另有关于剪切层中大尺度旋涡结构演化发展的论文已投国际高水平学术刊物。. 本项目对分离剪切层中大尺度旋涡结构的动力学演化过程进行了辨识和追踪，为剪切层转捩过程中的非线性机制从涡动力学的角度提供了解释，能为发展针对分离剪切层的新型大涡模拟模型提供参考，对进一步研究再附点的拍动和剪切层三维化的物理机制提供了重要启示。