槽道流动中速度滑移边界条件下层流向湍流的转捩研究

作     者：柴春硕 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋保方

授予年度：2020年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：速度滑移 线性稳定性分析 瞬态增长 最优扰动 Squire定理 转捩 

摘      要：流体运动为何、何时以及如何偏离其有序状态而表现出更为复杂的湍流行为一直受到科学家们的关注,鉴于超疏水表面在自然界广泛存在且在工程中的应用越来越广泛,研究超疏水表面上流动的转捩问题有着重要意义。在超疏水表面上通常的无滑移边界条件不再适用,而需采用滑移边界条件。本文主要研究了速度滑移边界条件下槽道流动的线性稳定性和瞬态增长问题,从而探讨其对层流向湍流转捩的潜在影响。我们将流向滑移和展向滑移分别作为各向异性滑移的两种极限情况来研究槽道流动的稳定性,并探索了比以往研究更宽的滑移长度范围。线性理论分析发现在滑移足够大的情况下,流向滑移和展向滑移都会触发三维主导不稳定性。流向滑移使得临界雷诺数略有增加,而展向滑移则会使临界雷诺数大大减小,表明流向滑移可能会稍微延迟湍流的转捩,而展向滑移则会在很大程度上使转捩提前发生。当各向同性滑移时,三维主导不稳定性消失,流动变得更稳定,表明只有在速度滑移中引入各向异性才可以触发提前失稳。此外,还分析了Squire定理在各向异性滑移时是不成立的。采用求解伴随系统的间接方法分析了较大滑移长度下槽道流动的非模态稳定性,发现流向滑移对瞬态增长起抑制作用,而展向滑移增大了瞬态增长。此外,随着展向滑移长度的增加,最优扰动呈现出不同于众所周知的流向漩涡的流动结构。当两个方向上的滑移长度相等时,非模态瞬态增长主要受流向滑移的影响,表明只有在速度滑移中引入各向异性才可以触发较大的瞬态增长,从而触发提前转捩。