[发明专利]控制边界层和其他壁面边界处流体流场中湍流的方法

说明书

本发明涉及控制边界层和其他壁面边界处流体流场中湍流的方法及其所用装置。

相关出版物：

(1)″Plane Waves and Structures in TurbulentChannel Flow″，作者：L.Sirovich，k.S.Ball和L.R.Keefe，Phys.Fluids A2(12)，1990年12月，2217-2226页。

(2)″Propagating  Structures in Wall-BoundedTurbulent Flow″，作者：L.Sirovich，K.S.Ball和R.A.Handler，Theoret.Comput. Fluid Dynamics(1991)，2：307-317。

按照经典流体力学的观点，湍流被认为是在所有可能的自由度上激发的无序状态。从对宏观现象，诸如大气中的气象流谱，管边中的水流的直接观察到日常生活经验，如将奶油搅拌到咖啡中或混合油漆都支持这种观点。

湍流既有害又有益，它对汽车或飞机产生不希望有的阻力；但它也能促进发动机中燃料与空气的混合，或加速房间中热的分布。 湍流对人类活动具有巨大的影响，但是直到近几年认为湍流是一种无序状态的观点阻碍了对这种现象的科学分析。随着超级计算机的问世，已能够对壁面边界湍流进行工作量浩大的计算、和进行先进的实验研究，现在对湍流的认识已产生了惊人的变化。过去曾经被认为是一种无序状态的湍流，现在被认为是表面无序中间的具有相干波谱的运动。

对于壁面或边界层处流动的湍流，例如机翼上的气流，或管道中液流的深入研究表明在壁面附近存在具有一对相对旋转的顺流旋流圈形式的相干结构，但它们位于外沿和次层以外。这些旋圈有时被称作旋涡条纹，在其动态运动中显示出大量的纹波和变化。特别重要的是它们的突然扭曲或绞结，导致低速运动的流体从壁面处突然喷入快速运动的流体主流中。这种喷发在壁面上产生一种净阻力。已经估算出，这些能在壁面上产生80％阻力的喷发，只出现在大约20％的时间。对于这种湍流流谱的研究还表明，对所有壁面边界湍流都典型存在的是这些旋流圈经过立体相干波形短暂变化的影响而产生扭曲。

为了精确测定旋涡条纹的宽度，首先必须理解条纹是与壁面邻近的次层外流体的局部状态的体现，而不是壁面的性质，也不是远离壁面的流场的性质。局部状态完全可以用在壁面上的平均摩擦应力S，流体密度上γ，和流体的粘滞度m来表示。这些量定义了一个局部空间尺度，或长度等级L_*，其通常被称作一个壁单位等于m/(sr)^1/2。占优势的旋流圈直径通常为50到100壁单位，或每对100 L_*到200L_*。

术语″占优势的″，就旋涡直径而言，意味着湍流能量的绝大部分(或是波动速度的绝大部分)存在于这一尺度内的运动模式中。此外，同一类旋流圈的其他模式具有一定的尺度范围并且也包含大量的湍流能量。简言之，由于这些旋流圈波模有序度的散乱而在壁面上造成阻力的主要作用是导致这些旋涡的扭曲，最终导致使慢速运动流体混合进较快速运动流体中的相对剧烈的喷发现象。

随着发现在湍流壁面区域还存在传播结构，对于在壁面边界湍流中发生的现象有了深刻的理解。在上面引用的参考文献(1)中，指出传播结构是以恒定波群速传播的相干波谱。根据上述的参考文献(2)，进一步肯定了传播波模的存在。此外，经检索得到的一篇20年前写的论文涉及壁面湍流的实验，这篇文献虽然没有直接说明，但暗示了在湍流中这种传播波模的存在和所起的作用。

如上述两份文献所论证的，传播波模是喷发现象的激励源，正是喷发现象导致了存在于壁面湍流的阻力产生现象。尽管传播模式本身只携带很少的能量，但是除非存在传播波模否则不会产生喷发。此外，对喷发现象的实验上和数字测量的时间过程对应于对传播波模的测量过程。能量最高的，因而也是最重要的传播模式是那些与流动方向成65°角的传播波模；在50-80°范围的那些传播模式含有传播模式的大部分能量。

激励模式的波长也是一个重要的因素。这些波长的波在喷发现象中起着比旋涡尺度更重的作用。

最重要的激励波模与能量承载旋涡波模的波长相比具有一横向延展分量。这显然表明通过激励作用使旋涡波模易于喷发的共振机制的存在。为了易于说明，主要的激励波模有时称之为长波波模。并不存在显著长的长波波模，但存在许多短波波模。

所以本发明的目的是提供一种通过改变激励波模从而改变和控制湍流的方法和装置。