壁湍流的展向運(yùn)動減阻機(jī)理研究.pdf

1、運(yùn)動物體的表面通常存在湍流邊界層，以條帶和流向渦為主要特征的壁湍流擬序結(jié)構(gòu)是壁面摩擦阻力的主要來源。通過主動控制技術(shù)對湍流近壁區(qū)域流動的展向方向進(jìn)行修正，可以有效干擾湍流擬序結(jié)構(gòu)，抑制壁湍流的產(chǎn)生，達(dá)到良好的減阻效果。本文以槽道流形成的充分發(fā)展的湍流邊界層為基本研究對象，利用傅里葉—契比雪夫譜方法，對壁湍流的多種展向運(yùn)動控制方法進(jìn)行了直接數(shù)值模擬(DNS)，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫對湍流減阻規(guī)律進(jìn)行了分析?？刂品椒煞譃閮深?一類是展向運(yùn)動

2、壁面，包括展向振動壁面和展向振動、流向傳播的波動壁面;另一類是展向運(yùn)動電磁力，包括展向行波電磁力和展向振蕩、流向傳播的波動電磁力。數(shù)值模擬時(shí)，流場的基本方程為不可壓縮牛頓流體的Navier-Stokes方程(N-S方程)。根據(jù)控制方法的不同，對N-S方程添加不同的邊界條件或者源項(xiàng)。
　　 1)對展向振動壁面的流動控制和減阻問題進(jìn)行了研究。通過改變振幅大小和振動周期，可以使壁面摩擦阻力明顯減少。隨著平均減阻率的增加，壁面阻力隨時(shí)間

3、的變化也更加穩(wěn)定并呈現(xiàn)出較大周期的變化。將一個(gè)典型的阻力變化周期分成三個(gè)特征時(shí)段，對湍流脈動能的波譜、頻譜變化規(guī)律以及展向振動壁面抑制壁湍流、實(shí)現(xiàn)減阻的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，總渦能在得到不同程度抑制的同時(shí)，三個(gè)特征時(shí)段相關(guān)物理量的譜具有不同的變化特點(diǎn)。從二維能譜能量的分布上看，譜能在整體下降的同時(shí)，在波數(shù)相對較低的區(qū)域，能量有向某一波矢方向集中的趨勢。結(jié)合近壁湍流擬序結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，揭示出展向振動壁面減阻是兩種機(jī)理共同作用的結(jié)果

4、，特定時(shí)段由某一機(jī)理起主導(dǎo)作用。
　　 2)對展向振動、流向傳播的波動壁面的流動控制和減阻問題進(jìn)行了研究。討論了流向波動參數(shù)（波數(shù)）對相關(guān)統(tǒng)計(jì)量以及壁面阻力的影響。根據(jù)誘導(dǎo)邊界層（廣義Stokes層）調(diào)制下近壁湍流擬序結(jié)構(gòu)以及湍流猝發(fā)事件的變化規(guī)律，對此類波動壁面的湍流控制和減阻機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)此類波動壁面被用來調(diào)制近壁流動時(shí)，固有的湍流流場和誘導(dǎo)流場會各自發(fā)生變化。僅低頻波對湍流流場具有顯著影響，可導(dǎo)致近壁湍流擬序

5、結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的湍流猝發(fā)事件的顯著變化;波數(shù)的增大對于湍流猝發(fā)事件的頻率和強(qiáng)度增減的影響并不同步，存在一個(gè)最優(yōu)的波數(shù)，在其調(diào)制下，固有流場對誘導(dǎo)流場的影響最弱，而誘導(dǎo)流場對固有流場的影響顯著，減阻效果最好。此外，給出了最優(yōu)減阻率隨振幅及振動周期的變化曲線，對具有最佳減阻效果的最優(yōu)控制波數(shù)的存在進(jìn)行了確認(rèn)。
　　 3)對展向行波電磁力(STW)的湍流控制和減阻機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，展向行波電磁力對湍流的控制過程實(shí)質(zhì)上是一種由電磁

6、力誘導(dǎo)的特殊流場對壁湍流的調(diào)制過程。調(diào)制流場由一系列的沿流向伸展并沿展向傳播的，距離相等、相互平行的負(fù)流向渦組成。該流向渦可以減弱湍流固有的正流向渦和兼并湍流固有的負(fù)流向渦。于是，在這種反復(fù)周期出現(xiàn)的調(diào)制波作用下，湍流流場的流向渦結(jié)構(gòu)和條帶數(shù)逐漸減少，調(diào)制流場也因此逐漸主宰壁面邊界層，使其層流化發(fā)展，這導(dǎo)致了壁面阻力的下降。優(yōu)化參數(shù)控制下，平均減阻率最高可達(dá)30％以上。此外，討論了展向行波電磁力的波長對控制效果的影響，結(jié)果表明，對于長波

7、電磁力，固有流場對誘導(dǎo)流場的影響較弱，而誘導(dǎo)流場可以有效地減少固有流場的“條帶—渦”結(jié)構(gòu)，抑制湍流猝發(fā)活動，故減阻效果理想;對于短波電磁力，誘導(dǎo)流場作用下，近壁湍流上揚(yáng)、下掃活動明顯增強(qiáng)，故增阻效果顯著。
　　 4)研究了展向振蕩、流向傳播的波動電磁力的流動控制和減阻問題。討論了流向波數(shù)對壁面阻力及相關(guān)統(tǒng)計(jì)量的影響。從展向速度、近壁擬序結(jié)構(gòu)以及湍流猝發(fā)事件的頻率和強(qiáng)度等方面對其控制壁湍流、實(shí)現(xiàn)壁面減阻的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表

8、明，當(dāng)此類波動電磁力被用來調(diào)制近壁流動時(shí)，控制效果和展向振動、流向傳播的波動壁面有許多相似之處，僅低頻波對湍流流場具有顯著影響，可導(dǎo)致湍流猝發(fā)事件的頻率和強(qiáng)度的顯著變化;波數(shù)的增大對于湍流猝發(fā)事件的頻率和強(qiáng)度增減的影響并不一致，存在一個(gè)最佳的控制波數(shù)，在其調(diào)制下，減阻效果最好。此外，本文的計(jì)算結(jié)果顯示，波動電磁力的振動參數(shù)對最佳控制波數(shù)和最優(yōu)減阻率的影響較為顯著。優(yōu)化參數(shù)控制下，展向振蕩、流向傳播的波動電磁力的能量利用效率要高于振蕩電磁

9、力。（此部分內(nèi)容被國際著名物理類期刊PhysicsofFluids審稿專家評為Theworkiswellmotivatedandtheresultsareinteresting.TheyprovidenewandrelevantinformationontheeffectofanoscillatingspanwiseLorentzforceonaturbulentchannelflow.Inparticular,theeffectofa