近壁区湍流拟序结构减阻机理研究

在能源日趋紧张的今天，节约能源成为人类追求的目标，其主要途径之一就是在输运工具的设计中，尽量减少表面的摩擦阻力。在这些输运工具表面的大部分区域，流动都处于湍流状态，人们可以通过改善或修正湍流边界层中的拟序结构来达到减阻目的。其中，沟槽减阻技术因为可以不改变输运工具的外形结构，更是得到了人们的青睐。研究发现沟槽面的准流向涡和慢速条带结构是影响减阻的主要拟序结构。现有的研究仍然缺乏对二者系统和细致的描述。.本研究拟采用直接数值模拟不同几何特性及放置方式沟槽面湍流，在利用湍流拟序结构的时空相关性和多尺度自组织性精确辨析条带结构及流向涡结构的基础上，开展基于阻力特性的条件采样统计分析，探讨条带结构及流向涡结构的减阻机理，为近壁区湍流拟序结构控制技术提供指导。

湍流减阻作为节约能源消耗的主要途径有着重大的意义，已引起了广泛的关注，并已被NASA列为21世纪的航空关键技术之一。其中沟槽减阻一直是湍流减阻技术中的研究焦点。本项目通过三年的研究工作，已完成项目计划内容，展开了沟槽面湍流减阻机理研究、不同构型及布局沟槽面湍流减阻研究、近壁区湍流标度律分析及近壁区湍流条带结构主动控制实验研究。. 沟槽面湍流减阻机理研究结果表明，沟槽面的存在使得平均速度剖面在过渡区和对数区明显上移。在统计上，减阻机理表现为粘性底层厚度增加导致了壁面摩阻的降低。分析流场结果显示，沟槽面对近壁区条带结构和流向涡结构产生了影响。在结构上，减阻机理表现为沟槽尖顶形成的二次涡减弱了与低速条带相联系的流向涡，使在沟槽内保留低速流体，并且限制了流向涡的展向运动，引起壁面猝发减弱，从而导致了壁面摩阻的降低。项目进一步通过对不同构型的沟槽最佳减阻效果进行对比研究，发现最佳减阻效果对应的沟槽无量纲尺寸都处于粘性底层的外边缘或过渡区，正好是低速条带上升猝发的高度区域，而猝发会带来强烈的湍流脉动，对壁面切应力贡献很大。这也说明了沟槽延长了低速条带的存活周期，降低了由于猝发现象带来的摩阻增加。项目在此基础上总结了沟槽面的湍流减阻机理研究，确认沟槽面的引入主要影响了近壁区湍流结构的演化，从而达到减阻的目的。. 此外为了更好达到项目的研究目的，本项目展开了近壁区湍流及其控制的热线测量实验研究。探索沟槽面湍流中不同尺度的湍涡结构演化过程，需要深入研究湍流脉动速度信号所包含的信息。湍流标度律分析对于研究复杂系统的简单规律有着重要的指导意义，本项目在此基础上，进一步展开近壁区湍流标度律实验研究。研究结果表明：近壁区湍流各物理量的相对标度指数偏向SL标度指数分布，高阶时有些偏离，其偏离部分可显示条带结构的影响。随着阶数p的增大，各个方向的相对标度指数都表现出各自的规律。本项目进一步利用合成射流控制技术，分析研究壁面湍流减阻机理。研究结果表明：合成射流使得近壁区域的平均速度剖面有所下降，粘性底层增厚，具有减小表面摩擦特征，且其影响主要产生在近壁区内，与沟槽减阻机理类似，说明壁面湍流减阻的基本原则为抑制展向湍流发展。项目通过进一步的实验研究，同样发现了条带结构影响壁面摩阻的特性，为接下来实现壁面湍流减阻技术的发展提供一定指导意义。