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1、力学进展第41卷第6期Vol.41No.62011年11月25日ADVANCESINMECHANICSNov.25,2011自由来流扰动引起的旁路转捩研究进展∗潘翀王晋军†北京航空航天大学流体力学研究所流体力学教育部重点实验室,北京100191摘要本文回顾了自由来流扰动引起的边界层旁路转捩研究进展,所讨论的自由来流扰动包含高湍流度自由来流和尾迹两大类.首先介绍旁路转捩的定义、途经及其与规则转捩的区别;继而讨论高湍流度自由来流引起旁路转捩的路径和机理,涵盖感受性、瞬态增长、湍流斑、条带稳定性等旁路转捩的主要环节.在此基础上介绍
2、了尾迹引起旁路转捩的研究现状,包括对流尾迹和大尺度钝体尾涡两种尾迹形式,分析了转捩路径及机理,最后给出研究展望.关键词旁路转捩,Klebanoff模式,感受性,尾迹扰动1引言动、壁面非光滑等因素都可以作为初始扰动,它们在形态、幅值、能谱、尺度等方面具有多样性,由此决定了所激励的转捩过程将呈现各不相同的形态,并具有不同的物理机制.简而言之,转捩可划分为规则转捩(regulartransition)和旁路转捩(by-passtransition)两大类,两者的内涵和外延将在第2节中讨论.规则转捩基本等价于传统转捩研究中所谓的“自然
3、转捩”,一般指由初始扰动幅值很小的不稳定波激发、线性稳定性分析能够预测扰动早期放大阶段的转捩类型(本文沿用Morkovin[9]的叫法,称为规则转捩),对于规则转捩的路径已经有了较为清晰的认识;而旁路转捩通常指扰动增长—–破裂的时间尺度明显快于规则转捩的转捩形式,由于涉及的初始扰动更为复杂多样,因此尚无系统、完整的认识.(2)转捩的中后期过程具有强非线性.无论何种类型的转捩,在转捩的中后期阶段均以拟序涡结构的演化发展为典型特征,拟序涡通过和周围无旋流体的相互作用以及拟序涡之间的相互作用获取快速演化发展的能量,直至破裂(bre
4、akdown).这一过程属于有黏–无黏相互作用(viscid-inviscidinteraction)的范畴,具有明显的非线性特征,线性稳定性理论无法对其进行有效预测.尽管二次稳定性分析和弱非线性理论在解决规则转捩中扰动的二次失稳方面能够发挥一定作用[10-11],但几乎湍流是自然界和工程实际中普遍存在的流动现象,自20世纪以来成为流体力学中最为活跃、发展很快的学科分支之一[1].由于大多数湍流流动都可以视为层流通过转捩过程演化而来,因此转捩被认为是湍流产生的源头.转捩研究最早可以追溯至1883年Reynolds的圆管实验,
5、其后建立的稳定性分析的理论和方法[2-6]为推动转捩研究起到了重要作用.自20世纪60年代以来,流体力学实验和数值模拟技术不断发展,使转捩研究在诸多方面取得了长足的进展:已经建立起线性稳定性分析(linearstabilityanalysis)和瞬态增长理论(transientgrowththeory),能够较好地预测一般转捩过程中扰动的早期放大过程;对于以拟序涡非线性演化为典型特征的转捩中后期过程,在其转捩途径上形成了比较完备的认识;甚至已经能够通过直接数值模拟手段(directnumericalsimula-tion,D
6、NS)研究雷诺数在103量级上平板边界层从层流转捩为充分发展湍流的全过程[7].然而,目前的研究工作距离完全解决转捩问题尚有相当的距离,转捩仍然是经典物理学中最具挑战性的问题之一[8],其原因至少有以下三点:(1)转捩路径具有多样性.从层流向湍流的转捩一般起始于初始小扰动的快速放大,对于附着流(wall-boundedflow)而言,声激励、自由来流扰收稿日期:2011-05-11,修回日期:2011-09-15∗国家自然科学基金重点项目(10832001)和国家自然科学青年基金项目(11002015)资助†E-mail:jj
7、wang@buaa.edu.cn不可能解决转捩中后期的非线性演化问题,因此实验和数值模拟仍是研究该问题的主要手段[8].由于实验和数值模拟缺乏获得转捩中后期一般性规律的能力,因此尽管可以用线性稳定性理论预测规则转捩的开始点(transitiononset),但迄今尚无准确预测转捩结束点(transitionend)的转捩预估模型.(3)转捩研究对实验和数值模拟技术具有很高的要求.实验研究的困难主要来源于转捩过程中的非定常性和多尺度性,传统的单点测量技术无法有效辨识出转捩中后期的拟序涡结构,而以粒子图像测速(particlei
8、magevelocimetry,PIV)为代表的面测量和体测量技术在时间/空间分辨率上尚有不足,难以提供丰富的流场信息以表征拟序涡结构的时空演化特性和演化机制.此外,由于转捩路径依赖于初始扰动,故对风洞、水槽等设备的流场品质、背景噪音等提出较高要求.数值模拟能够提供丰富的流场时空信息,但对
