壁湍流相干結(jié)構(gòu)和減阻控制機(jī)理研究

1、力學(xué)進(jìn)展, 2015 年, 第 45 卷 : 201504壁湍流相干結(jié)構(gòu)和減阻控制機(jī)理研究許春曉 ?清華大學(xué)工程力學(xué)系, 北京 100084摘 要 剪切湍流中相干結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是上世紀(jì)湍流研究的重大進(jìn)展之一, 這些大尺度的相干運(yùn)動(dòng)在湍流的動(dòng)力學(xué)過程中起重要作用, 也為湍流的控制指出了新的方向. 壁湍流高摩擦阻力的產(chǎn)生與近壁區(qū)流動(dòng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān), 基于近壁區(qū)湍流動(dòng)力學(xué)過程的減阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力, 但是隨著雷諾數(shù)的升高, 這些控

2、制方案的有效性逐漸降低. 近年來研究發(fā)現(xiàn), 在高雷諾數(shù)情況下外區(qū)存在大尺度的相干運(yùn)動(dòng), 這種大尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)近壁區(qū)湍流和壁面摩擦阻力的產(chǎn)生有重要影響, 為高雷諾數(shù)湍流減阻控制策略的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn). 該文將對(duì)壁湍流相干結(jié)構(gòu)的研究歷史加以簡單的回顧, 重點(diǎn)介紹近壁區(qū)相干結(jié)構(gòu)及其控制機(jī)理、 近年來高雷諾數(shù)外區(qū)大尺度運(yùn)動(dòng)的研究進(jìn)展, 在此基礎(chǔ)上提出高雷諾數(shù)減阻控制研究的關(guān)鍵科學(xué)問題.關(guān)鍵詞 壁湍流, 相干結(jié)構(gòu), 減阻控制中圖分類號(hào): O357.

3、5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A DOI: 10.6052/1000-0992-15-006收稿日期: 2015-01-30; 錄用日期: 2015-02-16; 在線出版日期: 2015-04-01? E-mail: xucx@tsinghua.edu.cn引用方式: 許春曉. 壁湍流相干結(jié)構(gòu)和減阻控制機(jī)理研究. 力學(xué)進(jìn)展, 2015, 45: 201504Xu C X. Coherent structures and drag-reductio

4、n mechanism in wall turbulence.Advances in Mechanics, 2015, 45: 201504c ? 2015 《力學(xué)進(jìn)展》 版權(quán)所有許春曉 : 壁湍流相干結(jié)構(gòu)和減阻控制機(jī)理研究 3下面首先介紹壁湍流的分層模型及高摩擦阻力的來源, 然后結(jié)合近年來對(duì)相干結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展, 介紹人們對(duì)湍流減阻控制機(jī)理的認(rèn)識(shí)及存在的問題.2 壁湍流的分層模型用來標(biāo)度湍流的特征尺度可以分為兩類 (Marusic 而

5、內(nèi)稟尺度由流動(dòng)對(duì)外部條件的響應(yīng)來確定, 如邊界層動(dòng)量厚度、 壁面摩擦速度等. 在壁面附近, 黏性作用很強(qiáng), 經(jīng)常采用基于運(yùn)動(dòng)黏度 ν 和壁面摩擦速度 uτ = ?τw/ρ 的黏性尺度來標(biāo)度湍流, 其中 τw 為壁面摩擦應(yīng)力. 黏性尺度也稱為內(nèi)尺度, 其特征長度為 δν = ν/uτ、特征速度為 uτ, 利用黏性尺度無量綱化的物理量經(jīng)常采用上標(biāo) “+” 表示, 如無量綱的壁面距離 y+ = y/δν, 無量綱的流向平均速度 U + = U

6、/uτ. 離開壁面較遠(yuǎn)的外區(qū), 其特征長度經(jīng)常采用剪切層的厚度 δ (邊界層厚度 δ、 槽道半寬度 H 或圓管半徑 R), 經(jīng)典理論中仍將 uτ 作為其特征速度, 因?yàn)?uτ 給出了外區(qū)流動(dòng)的內(nèi)邊界條件.基于平均速度剖面, 人們提出了經(jīng)典的壁湍流分層模型 (Marusic & Adrian, 2013).由于 y+ = y/δν = uτy/ν, 因此 y+ 也可以看成距離壁面 y 處的局部雷諾數(shù), 反映了當(dāng)?shù)貞T性力與黏性力的相