壁湍流相干結構和減阻控制機理研究

1、力學進展, 2015 年, 第 45 卷 : 201504壁湍流相干結構和減阻控制機理研究許春曉 ?清華大學工程力學系, 北京 100084摘 要 剪切湍流中相干結構的發(fā)現(xiàn)是上世紀湍流研究的重大進展之一, 這些大尺度的相干運動在湍流的動力學過程中起重要作用, 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)流動結構密切相關, 基于近壁區(qū)湍流動力學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動, 這種大尺度運動對近壁區(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計提出了新的挑戰(zhàn). 該文將對壁湍流相干結構的研究歷史加以簡單的回顧, 重點介紹近壁區(qū)相干結構及其控制機理、 近年來高雷諾數(shù)外區(qū)大尺度運動的研究進展, 在此基礎上提出高雷諾數(shù)減阻控制研究的關鍵科學問題.關鍵詞 壁湍流, 相干結構, 減阻控制中圖分類號: O357.

3、5 文獻標識碼: 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. 壁湍流相干結構和減阻控制機理研究. 力學進展, 2015, 45: 201504Xu C X. Coherent structures and drag-reductio

4、n mechanism in wall turbulence.Advances in Mechanics, 2015, 45: 201504c ? 2015 《力學進展》 版權所有許春曉 : 壁湍流相干結構和減阻控制機理研究 3下面首先介紹壁湍流的分層模型及高摩擦阻力的來源, 然后結合近年來對相干結構研究的進展, 介紹人們對湍流減阻控制機理的認識及存在的問題.2 壁湍流的分層模型用來標度湍流的特征尺度可以分為兩類 (Marusic 而

5、內稟尺度由流動對外部條件的響應來確定, 如邊界層動量厚度、 壁面摩擦速度等. 在壁面附近, 黏性作用很強, 經(jīng)常采用基于運動黏度 ν 和壁面摩擦速度 uτ = ?τw/ρ 的黏性尺度來標度湍流, 其中 τw 為壁面摩擦應力. 黏性尺度也稱為內尺度, 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 “+” 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, 因為 uτ 給出了外區(qū)流動的內邊界條件.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?shù)貞T性力與黏性力的相