尾迹引起的边界层旁路转捩机理及其控制的实验研究

旋涡-固壁相互作用是基本而重要的流体力学问题，其主要特征是旋涡在近壁区诱导产生新的流动结构，使固壁边界层发生旁路转捩，并使转捩过程大为提前。本申请拟针对含大尺度旋涡结构的自由湍流尾迹引起的边界层旁路转捩进行机理研究，通过风洞、水洞流动显示和热线、PIV流场测量，应用条件采样、相关分析、涡辨识技术等多种手段，研究边界层对外界湍流尾迹扰动的感受性机制、扰动在边界层内的增长路径、转捩过程中的典型拟序结构、各拟序结构的现象学统计特性、演化发展规律和再生自维持机制等，从而加深对这一旁路转捩现象的了解，并进而丰富人们对壁湍流自维持机制的认识。在此基础上应用壁面抽吸、壁面粗糙等技术对转捩过程进行控制，探讨控制机理，进行控制参数优化研究，提出控制方案，以达到推迟该类旁路转捩的目的。

应用流动显示、热线测量、PIV等多种测量技术和分析方法，对圆柱尾迹引起的边界层旁路转捩机理及其控制进行了系统的实验研究，取得了如下主要成果： .1， 发展了多种实验技术和分析方法：首次将有限时间李雅普诺夫指数方法（FTLE方法）应用于PIV测量流场涡结构的辨识；提出了一种基于POD时间系数的低采样频率下类周期流动的相位辨识方法；发明了一种单相机三维PIV流场测量技术等。.2， 流动显示研究：通过流动显示，定性观测尾迹在固壁约束下的运动规律和转捩边界层中拟序结构的演化，并研究特征雷诺数、圆柱—平板流向相对位置和圆柱—平板法向相对位置等参数对边界层内典型拟序结构的影响。揭示了条带结构的自繁殖机制。.3， 热线、PIV定量测量研究：对典型参数组合下的圆柱尾迹影响平板边界层转捩过程进行了水槽PIV流场测量，对PIV测量结果进行了分析，得到转捩过程中流场统计特性的定量信息。运用条件采样、相关分析、子波分析等技术研究边界层感受性问题和扰动在边界层内的增长路径。.4， 粗糙元控制转捩研究：实验研究了利用粗糙元对圆柱尾迹诱导平板边界层旁路转捩的控制。结果表明添加表面粗糙元虽然加快了转捩前期进程，边但界层转捩后期大尺度拟序结构的出现受到了抑制，终延缓了整个转捩过程。.5， 尾迹涡脱落频率对转捩影响：通过合成射流改变圆柱尾迹脱落频率，在其他参数保持不变的情况下研究了涡脱落频率对转捩的影响。通过合成射流控制钝体尾迹的方式可以影响边界层旁路转捩的进程，在本实验条件下，射流频率的增大，导致扰动开始放大的位置提前，但增长率几乎不变。