文摘

本文作为总结新发现的DNS的晚期流动边界层过渡。广泛传播概念“涡破裂”发现理论上是不可能的,在实践中从未发生过。发现环状涡在流场存在的唯一形式。环状涡的形成是两对之间的交互的结果反向旋转中小学回水区漩涡。第一个亥姆霍兹涡守恒定律后,主涡管卷起,拉伸由于速度梯度。为了保持涡度守恒,必须形成一座桥来连接两个?涡的腿。最后的发展作为一种新的环的桥梁。这一过程不断形成多个环形结构。u型漩涡不新但现有相干涡旋结构。实际上,u型涡,这是第三个层次漩涡,作为第二个颈部提供多个环涡度。 The small vortices can be found on the bottom of the boundary layer near the wall surface. It is believed that the small vortices, and thus turbulence, are generated by the interaction of positive spikes and other higher level vortices with the solid wall. The mechanism of formation of secondary vortex, second sweep, positive spike, high shear distribution, downdraft and updraft motion, and multiple ring-circle overlapping is also investigated.

1。介绍

过渡过程从层流到湍流边界层是现代流体力学的一个基本的科学问题和研究的主题已经超过一个世纪。许多不同的概念的解释机制开发基于大量的实验,理论和数值研究。经过一个世纪研究湍流,流的线性和早期弱非线性阶段过渡很好理解。然而,对于后期非线性过渡阶段,仍有许多遗留问题研究[1- - - - - -5]。

环状的漩涡流过渡起到关键作用。他们产生快速向下喷气机(第二次扫描),引导积极的飙升,使高能边界层和工作一起向上喷射(喷射)混合边界层。换句话说,环状涡的形成和发展是一个关键的主题末流边界层过渡。看来无湍流环状的漩涡。很自然的给综合研究环形成和发展。

1.1。环状涡的形成

哈马和下垂的6)描述的过程中形成的“形涡”附近的?涡小费。他们发现,“…一个简化的数值分析表明,双曲线涡丝变形通过自己的归纳成一个牛奶瓶的形状(的“哦,涡”)和电梯的提示…”。后来,Moin et al。7]使用数值方法与毕奥萨伐尔定律和得出的结论是,通过一个形成的环自感和多个环的形成机制是第一环的结果“打尖”。他们认为,n - s方程的解决方案不会改变的机制,但可能会推迟戒指“打尖”。然而,他们可能有点吧,但是他们不是讨论相关的边界层转捩自环状涡形成的边界层和粘度和全3 d时间必须考虑n - s方程。此外,我们新的DNS结果表明,环是一个完美的圆不是一个变形形状,90度的环站垂直地不是45度,而且,更重要的是,“环夹断。”是永远不会发现。环状涡有自己的相干结构如下我们展示,这是完全不同于Moin等人所显示(7]。

1.2。多个环的形成

乌鸦理论(8)已被视为多个环形成的机制(2]。他们指出,“形成一组从两个反向旋转涡环漩涡通常被称为“乌鸦不稳定。"这种不稳定性可能涉及阶段形成的环状漩涡将交互的?涡的腿。“然而,没有证据证明这样一个机制。我们不能找到任何乌鸦理论之间的联系和多个环的形成。显然,乌鸦理论与边界层中的多个环的形成。

1.3。涡破裂

“涡破裂”已广泛传播于许多研究论文和教材(5,9- - - - - -11]。然而,我们的分析发现,“涡破裂”在理论上是不可能的。在实践中,“涡破裂”永远不可能发生。发现“涡破裂”所描述的退出出版物(5,9,10)是由二维可视化误解或通过使用压力中心的漩涡中心。

1.4。u型涡

u型涡(9)或筒状的波(5)仍然是一个谜,认为作为一个新成立的二次涡或波浪。然而,它是我们新发现的DNS, u型涡是一个原始的相干结构,它是一个三级(不是二级)涡涡度标志一样环腿。u型漩涡作为第二个脖子供应涡度的环和保持活着。

1.5。高剪切分布

高剪切(HS)分布可以发现在报纸上烤et al。3),但质疑为什么HS消失的脖子附近的流动是非常活跃的。然而,我们的新的DNS发现就没有正常的方向速度分量,然后没有清洁工,抛射。

不管怎么说,有很多问题,这是有关后期流过渡,没有回答或误解。为了深入了解后期流边界层过渡,我们最近进行了一项大型网格高阶DNS准备分和大约600000时间步研究的后期阶段流动机制在边界层过渡。许多新的发现,新的机制。这里,我们使用标准(12为可视化。

纸被组织在以下方式:部分2介绍了n - s方程、数值方法;部分3显示的代码验证和确认以确保DNS代码是正确的;部分4提供了新的DNS结果和总结了新的发现和新的环状漩涡的形成和发展机制。一些结论部分5。

2。控制方程和数值方法

我们使用的控制方程的三维可压缩n - s方程广义曲线坐标和一个保守的形式: 守恒量的向量,非粘性的通量向量,粘性通量向量被定义为 在哪里是曲线之间的坐标变换的雅可比矩阵和笛卡儿框架和坐标变换矩阵。逆变速度分量U,V,W被定义为,,;的总能量。粘性应力和热通量的组件是用和,分别。

的无量纲形式(1),引用值长度、密度、速度、温度和压力和,分别。马赫数和雷诺数表示为 在哪里理想气体常数,比热比,流入位移厚度的粘度。

sixth-order紧凑的计划(14)用于空间离散化的流向和墙正常的方向。为内部点,sixth-order紧凑方案如下: 在哪里点的导数是什么。四阶紧凑型方案用于点,三阶片面的紧凑型方案用于边界点。

在期刊的方向条件下应用,pseudospectral方法使用。为了消除造成的虚假的数值振荡中心差分方案,使用高阶空间方案代替人工耗散。隐式sixth-order紧凑型方案空间滤波应用于原始变量在指定数量的时间步骤。

控制方程的显式的3 rd-order TVD格式龙格-库塔计划(15]: 需要确保稳定。

绝热和中性条件执行在墙上的平板界。在远场和流出边界,nonreflecting边界条件(16应用)。

流入的形式给出 在哪里代表,,而Blasius的解决方案是一个二维层流平板边界层。波数回水区,由波数、频率和振幅 分别。获得的t - s波参数求解可压缩边界层稳定性方程(17]。

计算域显示在图1。网格级别是,代表回水区的网格数量(x),知识(y),和正常的更新(z)方向。正常的网格拉伸方向,统一在高空回水区的方向。第一个网格区间的长度方向正常入口处发现在墙单元(0.43)。

并行计算是通过消息传递接口(MPI)一起域分解流向的方向。计算域划分沿着流向方向(同样大小的子域数据1和2)。是处理器的数量用于并行计算。流动参数,包括马赫数、雷诺数表中列出1。

3所示。验证和确认

皮肤摩擦系数计算的时间,spanwise-averaged概要文件显示在图3。表面摩擦系数的空间演化的层流也绘制了比较。从这些数据观察,表面摩擦系数后发生的急剧增长,它被定义为“爆发点”。转型后的皮肤摩擦系数是在良好的协议与平板湍流边界层理论于1989年由Cousteix [18]。

时间-高空平均流向速度资料不同流向位置在两个不同的网格如图4。流入速度概要文件是一个典型的层流速度剖面。在,平均速度剖面的方法一个湍流速度剖面(日志法)。请注意,有相当一些出版物(例如,图4 (c)),有很大的差异在速度剖面测井法。

漩涡识别方法引入了宋和侯赛因12)应用到可视化使用的iso-surface涡结构特征值。发现涡核的拐点的位置的压力在一个平面垂直于涡流管轴。压力拐点周围的压力最小,发生在附近的漩涡的核心。通过这种可视化方法,涡结构的t - s波的非线性演化的过渡过程如图5(A)。进化的细节在我们之前的研究论文(19- - - - - -23),环状的漩涡的形成链和实验工作([是一致的13),图5(B))和先前的数值模拟烤et al。3]。

4所示。新发现和机制揭示了我们的DNS

4.1。在二级流向涡的形成机制

如图6(一),主涡产生一个向后的速度产生负涡度的墙面由于零速度在墙上面。然而,负涡度代并不意味着二次涡流管的形成。二次流产生的涡流管必须分离。这意味着墙附近的流动方向必须改变落后的标志(图6 (b))。这个过程是由DNS结果直接显示数据7(一)和7 (b)。分离只能由压力梯度。问题是压力梯度从何而来。从图8,我们可以清楚地发现流向涡中心低压中心和主要的涡流管外的压力远远高于主涡中心的中心。同时从图8,结果表明,涡流流向压力梯度的变化。这些压力梯度改变流动方向后退,前进,和二次涡流管的形式,从墙表面分离,站了起来。

4.2。第一环的形成机制

环状的漩涡中扮演着至关重要的角色过渡壁边界层流动的过程。基于我们的数值模拟,生成环状漩涡的产品之间的交互主要流向涡和二次回水区漩涡。一枚戒指时结果之间的交互主要和次要的流向涡变得足够强大。形成细节图所示9。的主要流向涡环内,而二级流向涡的外环。根据速度矢量跟踪,主要流向涡向外流动,和二级回水区漩涡流从下面(图10)。这些运动弯曲和拉伸发夹漩涡,然后生成一个狭窄的脖子。最后一个环形成的提示?漩涡。相比之下,环状涡形状由Moin et al。7是作为一个参考。四涡管的详细结构和环状的漩涡是描绘在图11从三个不同的角度。他们有很大的不同。

显然,我们新的DNS结果表明,环是一个完美的圆(图11(b))不是一个变形形状如图所示,Moin et al。7),90度的环站垂直地没有45度如图所示Moin et al。7),更重要的是,“环夹断”由Moin et al。7从来没有发现。环状涡有自己的相干结构显示在图11。

这个概要文件在图12是一个由时间和平均速度剖面回水区位置(第一环状漩涡的位置)。如图12环状的漩涡是坐落在边界层外换句话说位于非粘性的区域()。因为主要环在非粘区流几乎是均匀和各向同性的,戒指的形状几乎完美的圆形。相信正常方向的速度几乎是零在非粘带和环几乎垂直地。

4.3。的多个环的形成机制

乌鸦理论(8)已被视为多个环形成的机制(2]。图13显示了一个典型的涡链形成的乌鸦理论。然而,并没有证据证明流过渡的这样一个机制。根据我们的DNS,人物(14日)给出了原理图的过程一个戒指和多个环的形成。第一个亥姆霍兹涡度守恒定律后,当涡流管拉伸和卷起,管是缩小,和一个额外的桥是发达的两条腿'涡流管保持涡度守恒。因此,第二,第三,等等。环形成。图14 (b)显示多个环(超过8环)形成和第一环(右)倾斜,倾斜的(不再垂直)。从我们新的DNS,形成所谓的“峰值”只不过是multi-ring(桥)涡结构相当稳定。生成的多个环是一个接一个,但不是同时喜欢乌鸦理论,和戒指是垂直于墙不平行于墙像乌鸦的理论。很显然,我们不能找到任何乌鸦理论之间的联系和多个环的形成。

4.4。u型涡发展

的描述u型涡的发展可以在报纸上找到的歌手和斯林9]。图152 d视图和使用低轮廓代表涡流管的压力,这可能导致误解,二次涡破碎在小的碎片。图16是一个2 d顶视图由我们新的DNS有不同吗?₂价值,给图类似的结构15。然而,没有证据表明二次涡破裂。让我们看看所谓的“湍流点”从不同方向的视图(图17)。领先的大涡结构的扰动是稳定的和仍然存在。它在很长一段距离,不会分解。我们发现,头部形状呈u型,但真的不会改变基本涡结构和标题发夹涡不会分解。实际情况是,标题主环仍然存在但倾斜和倾斜,导致第二次扫描的消失。的后果是没有更多的能量输送到边界子层的第二个扫描削弱附近的位置。小length-scale-structures位于层流底层阻尼附近,和原来现有的u型涡正在上升,变得明显。它被认为9),u型涡是一个新成立的二次涡。但是它真的存在一段时间。u型涡的原因不是清晰可见以前的时候是u型涡周围是许多小长度尺度结构。标题主环垂直时,它将生成一个强大第二扫描带来大量的能量从非粘性的区域的底部边界层,使这一领域非常活跃。然而,当标题主环不再是垂直的,倾斜,倾斜的,第二次扫描就消失了。小长度尺度结构迅速潮湿和原来现有的u型涡变得清晰,因为他们是大尺度结构的一部分。不同的歌手和斯林9),u型涡发现不是一个次要,但三级涡与相同标志的涡度相应的环的腿。实际上,u型涡是第二个脖子供应涡环(数字17 (b)和17 (c))。

由于环(桥)数量的增加和涡度守恒,领先的戒指会变得越来越弱,直到他们无法检测到,但是他们不会打破(见图17)。multiring结构非常稳定,戒指可以长途旅行(图18),因为它们位于一个非粘性的面积和u型颈部提供更多的涡度。

4.5。小长度尺度生成机制

是很自然的,一个问题将会提高。问题是小涡长度尺度从何而来?我们相信这些小长度尺度涡旋相互作用生成的第二和第三级与墙面的漩涡。正如我们所知,涡度只能鉴于边界或生成,但它不能在流场生成。实际上,墙面的唯一来源是涡量边界后的一代。我们新的DNS给出了初步回答,小长度尺度漩涡是由附近的墙面,墙面,因为他们是由第二次扫描生成而不是发卡涡破裂。实际上,涡破裂,几乎从来没有发现理论上是不可能的。DNS的动画结果给流过渡每个阶段的细节和新的小长度尺度涡的生成机制。我们在这里提供一些摄像镜头(图19)。因为我们相信小漩涡产生的墙表面和近壁区,我们把摄像镜头的方向视图从底部到顶部。很容易发现,墙上的小长度尺度结构首先出现环的脖子附近的区域流向的方向。

我们新提供的所有证据DNS确认小长度尺度漩涡底部附近(生成数据19和20.)二次涡流或第三级别的漩涡,特别是积极上涨引起的强烈的第二个清洁工给子层带来高流向速度从非粘性的区域。

4.6。涡流循环重叠

正如我们之前讨论的,环头位于非粘性的面积和更高的移动速度比环腿的底部附近的边界层。发卡涡的原因是拉伸和多个环产生。这将导致一个重叠的第二圈循环上升的第一环循环。但是,没有混合的两个周期是我们观察到新的DNS(数字21和22)。第二个环是分开的第一个周期由二次群环墙表面生成的,墙分开,迁移到下游。这就是为什么过渡边界层变厚和厚。

4.7。高剪切分布

(v,w)速度和扰动向量u提出了速度轮廓图23在(y, z)飞机。投影的近似第一涡环上的位置(y, z)平面显示在图23半透明的圈子。这是看到有两个女人强大的气流喷射它背后所产生的第一个涡环结构中心线的两面。这些飞机的存在“扫描2”事件(5,24]。

之间形成一个低速区域?涡的腿和外观HS-layer略高于内部?漩涡中可以找到数据24,25,26。发现(基于瞬时字段计算比较各种时间瞬间),低速条纹和高剪切层与弹射2相关事件似乎成为弱环状涡下游传播,最后消失了。这个结果与观测一致的烤et al。3]。他们相信低速条纹和高剪切层变得脆弱,最后消失,因为“尾部涡流”连接环,像漩涡朝着墙上。根据我们新的DNS结果,它表明上述现象的主要原因是,在中间环脖子附近的两个正峰值之间,有一个地方的正常速度分量几乎为零(见图23日(一)和23日(c))。

5。结论

根据我们新的DNS研究,以下的结论。(1)涡度是由墙上。二次涡可以发展只有通过流动分离不良造成的压力梯度。(2)涡流管内部的流场不能结束,因此涡环是唯一形成现有的内部流场,因为戒指没有结束,头或尾巴。(3)周围有四个流向涡度行?型涡,两个主要内部和两个次要的外部。里面两个主要流向涡度线退出?型涡形成环,但外面的两个二次涡度线推?形涡形成的脖子。因此,形成一个环状涡之间的交互主要和次要流向涡度线。(4)领先的ring-vortices几乎完美的圆形,几乎垂直地站着。没有找到所谓的“环夹断”。(5)拉伸涡流管将缩小强涡度随着旋转速度的缩小。根据第一Helmoholtz涡度守恒定律,这将导致桥梁,进一步发展成为第二个戒指,等等。(6)u型涡是一个连贯的结构和作为第二脖子供应戒指。(7)以来的头发夹涡,也就是说,戒指,位于非粘性的面积和u形环涡涡量供应,随之而来的多个环状涡结构在流场可以为长途旅行。的发卡涡将变得脆弱,直到无法探测,但从来不会分解。(8)生成的小长度尺度墙面和墙附近的地区,但不是由发卡涡破裂。(9)环头速度比环腿快,导致环循环重叠。多个环循环重叠会导致过渡边界层增厚。多个戒指重叠,但从未混合。他们由二级环墙表面生成的,分开的墙,以及下游迁移。(10)上升气流运动导致了?型高速条纹和一个外壁附近HS-layer ?涡的腿。然而,环的脖子附近的HS-layer消失因为脖子附近地区的正常速度几乎为零。

命名法

:	马赫数
再保险:	雷诺数
:	流入位移厚度
:	壁温
:	自由流温度
:	高度在流入边界
:	计算域的长度x方向
:	计算域的长度y方向
:	前缘平板和上游边界之间的距离计算域
:	二维进气扰动幅度
:	三维进气扰动幅度
:	入口扰动的频率
:	回水区入口扰动波数
:	由入口扰动波数
:	理想气体常数
:	比热比
:	粘度
:	流向涡度
:	常量代表涡流管表面。

确认

这项工作是支持AFOSR格兰特fa9550 - 08 - 1 - 0201由约翰·Schmisseur博士监督。作者感谢得克萨斯高级计算中心(TACC)提供计算时间。这工作是通过使用代码发布的DNSUTA超群解释道刘博士在2009年德克萨斯大学阿灵顿。