台阶分离流动相干结构及流态失稳机理研究

Backward-facing step (BFS) flow is widely existed in nature and life. In engineering applications, it is often required to utilize and control this flow as the complex separation-reattachment process and vortex dynamic characteristics. However, the unsteady motion and coherent structure in this flow are still an unsolved academic problem and research hotspot. Currently, it is difficult to describe and predict it accurately, and its research has important theoretical significance and practical value! This project intends to use physical model test, numerical simulation and theoretical analysis to study on a BFS flow. The aim is to identify quantitatively the transient coherent structure in the step separation, revealing its spatial distribution and temporal evolution, and investigating its coherence. Additionally, the intrinsic instability and mechanism with the Reynolds number increases from laminar flow to turbulence is targeted. The response of the separation characteristics with the instability increasing, and the correlation between the flow instability and coherent structure are expected to be researched. This study is helpful to grasp the intrinsic characteristics and motion laws of the step separation, and provide a theoretical basis for the design and control of BFS flow.

台阶分离流动广泛存在于自然和生活中，台阶分离过程中包含复杂的分离再附特性和涡动力学特征，工程应用中往往要求利用和控制这种流动。然而，台阶分离流动的相干结构运动规律和非稳态特性仍是一个学界难题和研究热点，至今难以准确描述和预测，其研究具有重要的理论意义和实用价值！本申请项目拟采用模型试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法，以台阶分离流动为研究对象，定量识别台阶分离流的瞬态相干结构，揭示其时、空分布及演变规律，探究其相干性；探明台阶分离流动随雷诺数增加流态失稳的内禀特征，建立流态失稳与相干结构运动的关联性，研判流态失稳的发生条件和作用机理。本研究有助于掌握台阶分离流动内禀特性和运动规律，为实现流动设计和控制提供理论基础。

台阶分离流动广泛存在于自然和生活中，台阶分离过程中包含复杂的分离再附特性和涡动力学特征，工程应用中要求利用和控制这种流动。然而，台阶剪切分离流动引起的相干结构运动规律和非稳态特性仍是一个研究热点和学界难题！本文以台阶对称突扩流动为研究对象，研发了台阶突扩流动试验系统，采用高分辨率高频PIV测速技术和理论分析方法，重点研究了恒定边界条件下台阶对称突扩流动的基本特性、相干结构及失稳机理等方面内容，主要研究成果如下：（1）研制了台阶突扩流动试验系统装置，研发了大范围高分辨率高帧率剖面流场测量方法，为研究复杂流动现象提供了重要的研究手段；（2）诠释了Re对台阶对称突扩流动结构特征分布的影响，揭示了高雷诺数下流态对称性失稳现象，界定了对称突扩流动结构分区；（3）揭示并定义了台阶对称突扩流动中流线表征的相干结构，在量化识别的基础上，提出了相干结构空间分布、运动演变规律和拓扑关系等特征；（4）量化了台阶对称突扩流动失稳特征，提出了流态失稳的主要影响因素，探讨了雷诺数影响下的流动失稳模式。. 本项目完成学术论文9篇，其中SCI收录论文3篇，EI论文1篇，核心期刊3篇，会议论文2篇；授权国家发明专利2项，相关成果获得省部级二等奖1项，负责人职称晋升高级工程师，培养博士后1名，技术骨干3名，研究生2名，取得了显著的社会和经济效益。