平板湍流转捩过程中Λ涡和环状涡的周围流场研究

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1、第46卷第2期2016年3月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．46No．2Mal"．2016平板湍流转捩过程中A涡和环状涡的周围流场研究_-v_；oEl，LIUChaoqun2，赵宁1(1．南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016；2．(美国)德州大学阿灵顿分校数学系，德克萨斯阿灵顿76010)摘要：采用高精度湍流直接数值模拟技术，对平板流动转捩过程中的涡系结构，尤其是A涡和环状涡附近的流场进行了详细的研究。高分辨率的数值模拟给出了实验手段无法得到的全流场信

2、息，以及雷诺平均纳维斯托克斯方程方法(aANS)无法给出的精细涡结构信息。数值模拟在精确捕捉A涡和环状涡等转捩过程中典型涡系结构、上喷和下扫等典型流动现象的同时，发现了一些与传统认识所不同的现象：1)A涡并不是当地涡量集中的地方；2)环状涡的附近存在一个速度显著大于远场来流速度的区域。这些现象对传统湍流转捩理论提出了挑战，并引发人们对湍流生成与维持机理的进一步研究。关键词：湍流转捩；直接数值模拟；A涡；环状涡中图分类号：0357．5文献标识码：A文章编号：1671．654X(2016)02．0015．04Moti

3、onAroundVorticesandAVortexRingsinBoundaryLayerTransitionWANGYi．qianl，LIUChaoqun2，ZHAONin91(1．CollegeofAerospaceEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China；2．DepartmemofMathematics，UniversityofTexasatArlington，Arlington，Texas7

4、6010，USA)Abstract：Ahigh-fidelityDirectNumericalSimulationisperformedtostudythevorticalstructuresduringlaminar·turbulenceboundarylayertransition．Itisintuitivelyassumedbymanyinvestigatorsthatvorticesareconnectedfluidregionswithrelativelyhighconcentrationofvorti

5、city，i．e．，wherelocalvortexfila-mentscongregate．However，itisfoundthatthevortexlocateswherethevorticitymagnitudeislocallysmallerthanthatofthesurroundingareasfromourDNSdata．Inaddition，peoplebelievethemaximumvelocityinsideboundarylayershouldnotbegreaterthanthevel

6、ocityofinviscidarea，sincetheboundarylayerflowiskindofdrivenbytheinviscidflow．Nevertheless，fluidregionswithvelocitymagnitudesignifi-canflylargerthanthemaximuminflowvelocityarefoundaroundring-likevorticesfromthenumericalre-sults．Thesephenomenaposeaseriouschalle

7、ngetothecurrentturbulencetheory，andmightactasastim-ulustothestudyofturbulencegenerationandsustenance．Keywords：boundarylayertransition；directnumericalsimulation；Avortex；ring-likevortex引言作为经典力学留下来最重要的未解之谜，湍流一直吸引着人类去探索和研究。然而由于湍流，尤其是完全发展湍流的随机性和复杂性，使得相关研究充满了困难。尽管经

8、过一个多世纪不懈的科学探索，人们对湍流产生和维持的机理仍然存在着很多疑问。因此，边界层转捩作为从层流到湍流，从“简单流动”到“复杂流动”的一个发展过程，吸引了越来越多研究人员的关注。并且研究重心也从转捩过程的初始阶段，如线性稳定性理论、二次不稳定性理论等，转到更接近于湍流的转捩后阶段研究，尤其是后阶段拟序结构的发展和变化。研究人员很早就发现湍流并非是完全随机性的运动，而是