局部粗糙诱导三维边界层稳定性研究及剪切流中大涡结构的成因与演化

【摘要】： 本文利用x及y方向变间距的高精度紧致有限差分及z向Fourier谱展开相结合的方法，数值求解三维、非定常、不可压的Navier-Stokes方程，详细研究了壁面局部粗糙边界层的稳定性问题和近壁剪切流中大涡结构的成因机制。 1、在光滑壁面上采用单个或两个二维及三维局部抽吸、局部喷射以及吸喷组合的方式来模拟具有局部壁面粗糙的边界层流动问题，获得新的基本流；利用流动稳定性理论，研究二维与三维T-S扰动波的非线性演化规律，分析了不同局部粗糙对扰动波传播特性的影响问题。主要结论包括：(1)、二维、三维局部喷入的粗糙壁面对扰动波起增长作用，三维局部吸出的粗糙壁面对扰动波起着缓增长作用，二维局部吸出的粗糙壁面对扰动波的增长起遏制作用；(2)、不同局部粗糙壁面使得扰动波的传播方向与相位发生变化；(3)、在三维局部粗糙诱导的基本流基础上，由于非线性作用，在二维扰动波空间演化的过程中，已被激发产生三维扰动波，其频率与波数与二维扰动波近似相同。 2、利用多涡结构的理论模型，讨论了局部粗糙对大涡结构的作用和影响。数值计算结果可知，基本流越饱满，大涡结构越不容易增长，反之大涡结构越容易增长，理论模型的结构、初始强度的大小对大涡结构的演化起着相当大的作用。 3、边界层壁面局部脉冲诱导大涡结构起因的数值模拟结果表明：壁面脉冲扰动的强度、面积、脉冲时间、加载方式等因素均影响着大涡结构的成因；当初始脉冲强度、初始影响区域等诸多因素小于某一阈值时，很难激发产生大涡结构。 4、不同压力梯度对边界层流中大涡结构的成因机制研究结果表明：在具有逆压梯度的边界层流中，壁面局部脉冲扰动更容易诱导激发产生大涡结构，且扰动的幅值均大于零压及顺压梯度的边界层；顺压梯度则不易于激发产生大涡结构。