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Physics of multiple level hairpin vortex structures in turbulence

Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2016年第2期59卷 91-101页

作者： Yi Qian Wang Hassan Al-Dujaly Yong Hua Yan Ning Zhao Chao Qun Liu Department of Aerodynamics Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China Department of Mathematics University of Texas at Arlington Arlington 76019 USA

Previous experimental and numerical studies have revealed that the hairpin vortex is a basic flow element of transitional boundary layer. The hairpin vortex is believed to have legs, necks and a ring head. Based on our DNS study, the legs and the ring head are generated separately by different mechanisms. The legs function like an engine to generate low speed zones by rotation, create shear layers with surrounding high speed neighbor fluids, and further cause vortex ring formation through shear layer instability. In addition, the ring head is Ω-shaped and separated from quasi-streamwise legs from the beginning. Contrary to the classical concept of ＂vortex breakdown＂, we believe transition from laminar flow to turbulence is a ＂buildup＂ process of multiple level vortical structures. The vortex tings of first level hairpins are mostly responsible for positive spikes, which cause new vorticity rollup, second level vortex leg formation and finally smaller second level vortex ring generation. The third and lower level vortices are generated following the same mechanism. In this paper, the physical process from A-vortex to mul- ti-level hairpin vortices is described in detail.

关键词： hairpin vortex vortex buildup multiple level vortices flow transition

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