边界层中展向波包型扰动转捩的数值模拟及用PSE方法的预测

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本文基于空间模式,研究了不可压缩平板边界层和曲面边界层中扰动的演化和转捩问题。首先针对平板边界层,研究了展向等幅值型和展向波包型两类扰动的演化全过程,分析了这两类扰动的转捩机理;使用改进的PSE研究了平板边界层扰动的演化并预测了转捩位置,和数值模拟结果进行比较;最后研究了典型曲面边界层中扰动演化及PSE的应用。共得到以下结果:  (1)展向等幅值扰动的演化特征:在上游,二维基本波占据主要地位,随着演化,二维基本波的幅值先增大后减小,减小的原因是三维基本波的快速增长,三维基本波的幅值将超过二维基本波占据主导地位。三维基本的快速增长,使更多的高次谐波被激发出来,转捩因此发生。  (2)展向波包型扰动的演化特征:随着扰动的演化,波包型扰动从展向一个峰值分裂为两个峰值,波峰中间出现展向高波数的三维扰动,然后两个峰值会逐步消失;波包展向所占的范围也逐步展向拓宽;展向大尺度结构逐步破碎成小尺度结构;初期的低波数波演化出越来越多的高波数三维波;流动结构依次出现月牙形结构、L涡结构、流向条纹结构,到最终无序的湍流结构。  (3)展向等幅值和展向波包型扰动的转捩机理为:在扰动演化的初期,不稳定区域较小,只有某些波能增长起来,随着演化,非线性作用将使平均流速度剖面快速变化,导致不稳定区域的扩大,这将使更多的高波数谐波快速增长。针对不同的展向位置,一定幅值的展向波包型扰动都将引发转捩,不同的展向位置转捩位置不同,但转捩过程和特征是类似的。  (4)对于研究的各类边界层,在转捩开始之前PSE方法预测扰动演化的结果与数值模拟一致,PSE方法失效的位置与数值模拟得到的转捩开始发生的位置基本一致。因此,可以用PSE方法的失效位置来预测转捩位置。  (5)用PSE方法研究了展向等幅值扰动的展向波数和幅值对转捩位置的影响。存在使转捩位置最靠前的展向波数,当大于这个波数时转捩位置随波数的增大而靠后。扰动幅值越大转捩位置越靠上游。  (6)对于等曲率的圆环管道流动,曲率的存在将抑制转捩的发生,曲率越大转捩位置越靠后;对于NACA0012翼型曲面边界层,给出了转捩位置和二维扰动波幅值、频率的关系,并预测了转捩的位置。
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