论文摘要：钝体绕流尾迹引起边界层旁路转捩的机理和控制

“旁路转捩”这一概念用来描述扰动增长—破裂的时间尺度明显快于T-S波演化时间尺度的转捩过程。引发旁路转捩的初始扰动场可以是壁面粗糙、前缘污染等当地扰动，也可以是高湍流度自由来流、上游物体尾迹、自由旋涡等分布式扰动，只要初始扰动具有三维性且幅值足够大，边界层转捩均可越过T-S波线性放大的过程而直接进行。本文主要以实验的方式研究初始扰动场为上游物体尾迹的零压力梯度平板边界层旁路转捩，综合运用流动显示、氢气泡时间线测速、二维PIV测速和Lagrangian体系下的涡辨识技术等方法，对垂向尾迹和横向尾迹两种上游钝体绕流尾迹形式下的边界层旁路转捩过程进行了系统研究。研究表明，由垂向干扰丝绕流尾迹引发的边界层转捩以条带演化为主要特征，与高湍流度自由来流引发的转捩路径具有一定的相似性；而横向尾迹引发的转捩过程则可以按照另一条完全不同的路线进行，其中主要拟序结构的演化和发展同样能够促成湍流自维持机制的最终建立。在此基础上，将横向尾迹影响下的旁路转捩末期和转捩之后的湍流边界层中的主要拟序结构与绊线引起的充分发展壁湍流中的情况进行了比较。最后使用壁面粗糙颗粒对横向尾迹引发的转捩进行控制，并对控制机理进行了初步解释。本文的主要结论为：⒈ 垂向干扰丝尾迹影响下的边界层转捩过程主要以低速条带的产生、二次失稳、破裂和自繁殖为主要特征，条带的稳定性和后续演化是这一转捩形式的核心问题，与高湍流度自由来流影响下的转捩路径具有一定的相似性；⒉ 横向圆柱绕流尾迹能否在边界层内诱导产生二次涡将直接决定横向尾迹影响下的边界层转捩路径，二次涡的存在将使旁路转捩过程偏离高湍流度自由来流引起边界层转捩的Klebanoff模式，而呈现出完全不同的路径，以拟序结构按照“二次涡—马蹄涡—马蹄涡包—条带”的路径演化为主要特征；⒊ 横向圆柱绕流影响下旁路转捩末期和转捩之后的湍流边界层与绊线引起的充分发展壁湍流在主要拟序结构—广义马蹄涡的空间形态和对流速度上具有相似之处，说明湍流产生的动力学机制在从转捩末期到建立充分发展湍流这一过程中始终保持一致，同时马蹄涡的存在对不同方式建立起来的湍流边界层均具有普适性；⒋ 在以二次涡向马蹄涡演化为主要特征的边界层旁路转捩中，可以通过壁面粗糙颗粒来延缓转捩的后期进程，但该方法以加速前期转捩为代价，其控制机理可解释为粗糙颗粒破坏了二次涡向大尺度马蹄涡演化的过程，从而抑制转捩后期大尺度拟序结构的形成。

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