超音速平板邊界層從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩機(jī)理及湍流特性.pdf

1、本文采用直接數(shù)值模擬(DNS)的方法,模擬了來(lái)流Math數(shù)為4.5的超音速平板邊界層的轉(zhuǎn)捩過(guò)程及充分發(fā)展的湍流,研究了超音速平板邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程中breakdown的根本機(jī)理和充分發(fā)展湍流的若干重要特性,探討了利用時(shí)間模式直接數(shù)值模擬(TDNS)結(jié)果作為空間模式直接數(shù)值模擬(SDNS)的入口條件的方法,得出了以下結(jié)論: 1.層流-湍流轉(zhuǎn)捩的breakdown過(guò)程中,擾動(dòng)能量得以快速增長(zhǎng),層流剖面得以快速轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧髌拭娴臋C(jī)理在于擾動(dòng)

2、增長(zhǎng)后,對(duì)平均剖面進(jìn)行的修正導(dǎo)致了其穩(wěn)定性特征的顯著變化.第一模態(tài)擾動(dòng)波的不穩(wěn)定區(qū)及最大放大率迅速增長(zhǎng),而第二模態(tài)擾動(dòng)波的不穩(wěn)定區(qū)則減小乃至消失.雖然在層流下第二模態(tài)T-S波更不穩(wěn)定,但在層流突變?yōu)橥牧鞯倪^(guò)程中,第一模態(tài)不穩(wěn)定波迅速被大量激發(fā)并放大,從而不但擾動(dòng)能量迅速增長(zhǎng),平均流剖面也被從層流快速修正而變成湍流剖面.即第一模態(tài)擾動(dòng)波在breakdown過(guò)程中占了主導(dǎo)作用.初始擾動(dòng)的模態(tài)和幅值對(duì)轉(zhuǎn)捩的開(kāi)始時(shí)間和轉(zhuǎn)捩過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間有影響

3、,而它們的breakdown機(jī)理則是相同的.還發(fā)現(xiàn),壁面摩擦系數(shù)快速變化起始點(diǎn)代表了breakdown的起始點(diǎn). 2.充分發(fā)展的可壓縮湍流的平均流剖面、湍流Math數(shù)、各種量的脈動(dòng)均方根值和Reynolds應(yīng)力等沿平板法向的分布都具有相似性.這一性質(zhì)對(duì)簡(jiǎn)化湍流計(jì)算可能會(huì)起到重要作用.從轉(zhuǎn)捩完成至湍流充分發(fā)展之問(wèn)有一過(guò)渡過(guò)程,其問(wèn)上述相似性不成立.但來(lái)流Mach為4.5的可壓縮湍流的壓縮性效應(yīng)已較強(qiáng)而必須考慮,強(qiáng)Reynolds比

4、擬不冉有效,Morkovin假說(shuō)不再成立. 3.和不可壓縮流一樣,在:Mach數(shù)為4.5的超音速邊界層近壁區(qū),同樣存在相干結(jié)構(gòu).用通常實(shí)驗(yàn)研究中常用的檢測(cè)方法檢測(cè)相干結(jié)構(gòu),不同方法檢測(cè)到的是不同的東西.其中用Mu-level法和第二象限法檢測(cè)到的是和準(zhǔn)流向渦伴生的低速條紋,而VlTA法檢測(cè)到的是渦本身. 4.找到了用TDNS得到的充分發(fā)展湍流流場(chǎng)(只需一個(gè)時(shí)刻的流場(chǎng))以適當(dāng)方式轉(zhuǎn)換成SDNS的入口條件的方法,使得直接做充