管道流动稳定性分析及层流-湍流界面的建模研究

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本文研究了管流的线性稳定性以及湍流带界面的演化问题。在线性稳定性方面本文分别考虑流向滑移和周向滑移两种极限情况,研究了沿壁各向异性滑移管道流动的线性稳定性问题。我们的数值分析表明,流向滑移使流动更不稳定,但不会造成失稳。当雷诺数足够大时,最不稳定模态的指数衰减率为∝Re-1。如果滑移长度足够大,周向滑移会导致线性失稳。在给定大滑移长度的情况下,临界雷诺数可以减少到几百。除了数值计算外,我们还证明了流动对任意雷诺数和滑移长度的三维且与流方向无关的扰动的线性稳定性,通常这是利用能量分析完成的,但是本文导出了特征值和特征向量的解析解,并解释了谱的结构和最大本征值对滑移长度的依赖性。本文还证明了流无关模态指数衰减速率的标度是严格的∝Re-1。我们的非模态分析表明,整体的流向滑移降低了非模态增长,而周向滑移则相反。尽管如此,两种滑移情况仍然给出了最大非模态增长的Re~2-标度,而能量增大最大的扰动仍然是流向滚动,这性质与无滑移情况相同。管道湍流锋面处流动失稳和湍流生成机制仍然是一个未解决的问题。本文通过流动的线性稳定性分析和线性resolvent分析的角度对湍流锋面处的动力学机制进行了探讨。结论表明,湍流对锋面处速度型的改变不足以引起线性不稳定性,所以速度型的线性不稳定性可能不是流动失稳并产生湍流的机制。而resolvent分析从最优响应的角度,给出了与流场结构有相似性的响应模态,可能作为锋面处湍流生成机制的一种可能解释。
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