高超声速近壁湍流胀压结构与自维持机制研究

【作者】 余明； 周子淞； 袁先旭； 唐志共； 许春晓；

【机构】 中国空气动力研究与发展中心,计算空气动力研究所； 清华大学航天航空学院工程力学系；

【摘要】 高超声速湍流边界层近壁湍流受压缩性影响十分显著。近期的直接数值模拟研究表明,在高超冷壁湍流的粘性底层和缓冲区中存在较强的流体微团的膨胀/压缩过程,这些脉动主要集中在低速条带下方,并表现为正-负交替的行波包络形式的相干结构。前期研究已证明了行波包络结构对摩阻、热流和壁面压力统计量有重要贡献,但是其生成的流动仍不清楚。本研究针对这一问题,开展了直接数值模拟,并设计了数值实验,通过分析速度散度(胀量)的输运方程,证明了行波包络胀压结构产生的流动机理,及其与近壁湍流的"条带-流向涡"循环再生的自维持过程的关系,进而完善了对高超近壁湍流自维持过程的描述。研究表明,近壁行波包络结构并不能自发产生,而是由上方涡结构产生的壁面压力所诱导,并在近壁处接近平行的密度梯度和压力梯度矢量所激发而产生的,该过程涉及到强非线性效应。这一产生过程与条带蜿蜒、失稳和流向涡的产生过程具有强关联。但是单一"条带-流向涡"的循环再生过程所产生的近壁胀压结构与充分发展湍流中的结构特征和强度并不完全一致。通过限制展向宽度的最小流动单元的数值模拟和控制Orr机制的数值实验,我们进一步证明,在充分发展湍流中,近壁行波包络结构的产生和维持与多尺度相互作用所激发的强猝发事件密切相关。更多还原