粘性流体力学5.pptVIP

转捩 随边界层向下游延伸，Re数逐渐变大，一旦达到某一临界雷诺数的值（根据稳定性理论得到的中性曲线，使层流边界层失去稳定性的最小雷诺数为520），便进入向湍流转捩的过渡区域。观察表明，失稳后的边界层中首先出现一定频率和波长的二维行波，称为T-S波。 转捩 T-S在向下游传播过程中振幅不断增大. 波产生的原因是边界层作为剪切层，其中的涡量总是具有形成一定尺度旋涡结构的倾向，在上游这种倾向为涡量的扩散效应所抑制；随着下游边界层变厚，涡量梯度变小，扩散效应减弱，形成了这种较弱的有组织的展向涡结构（波）。 转捩 随着下游雷诺数的进一步增大，波会出现展向的涡量变化，进而发展成周期性的三维不稳定波和发卡涡（马蹄涡）。 动画演示: 发卡涡的演化过程 （Ma=0.7, 平板） 新观点： 转捩过程中的发卡涡上，有 新的发卡涡被诱发出来？ 转捩 由于发卡涡的自诱导作用，曲率大的部分将有更大的向上速度，进入更高的速度层，引起三维马蹄涡的拉伸、变形和破碎，相继出现的向上喷射和向下清扫的现象被称为猝发，它致使层流状态迅速崩溃和湍流的发展 转捩 然后会在局部高强度脉动处形成湍斑，它们是被层流包围着的局部湍流区，猝发和湍流斑的出现在位置和时间上都是随机的。 在向下游继续发展的过程中，湍斑不断扩大和合并，最后使边界层迅速进入完全的湍流状态。 转捩 自由剪切流（平面混合层）转捩 混合层是最简单的剪切层，也是目前了解最清楚的转捩过程之一。 转捩 平面混合层的转捩过程： 线性发展 自由剪切层的初始阶段可由线性稳定性描述，其机理是亥姆霍夫不稳定性，两层流体间的界面处，涡强最大，速度剖面有拐点，极不稳定，扰动很容易卷成旋涡； 卷成涡列阶段 非线性影响逐渐显露和增强，亥姆霍夫涡（波）演变成周期性涡列 转捩 旋涡的组对、合并和撕裂 由于波、涡的相互作用，相邻的旋涡开始组对（pairing），组对指由周期性扰动演变成的旋涡两两成对地相互围绕旋转并最终合并为一个旋涡，合并成的大涡又继续两两组对、合并。此阶段不仅存在合并过程，也存在撕裂破碎过程 转捩 三维结构的发展 三维结构开始形成，表现为交替排列、反向旋转的流向涡叠加在展向大尺度旋涡上，这标志着转变为湍流。 射流转捩 绕圆柱流动转捩 转捩 防止分离和防止转捩之间的区别和联系 对外流来说，在中等雷诺数时运动物体的合理型线选择既有利于防止分离，又有利于防止流态从层流向湍流的转捩 在高雷诺数情况下，即使不发生分离也可以产生流态的转捩。 专题讨论 研究意义 流动稳定性及转捩问题具有很高的学术价值和实际工程意义。 要求 希望同学们广泛阅读国内外有关的论文、书籍、报告等，写出论文 重点是自己的见解和感受。 推荐的方向： 流动稳定性研究现状 如其进展和困难。 转捩研究现状 如其进展和困难。 转捩控制，其方法、效果等。 流动稳定性和转捩的实验技术、计算方法等。 转捩预估方法。 粘性流体力学 阎 超 第五章 流动稳定性及转捩 专题讨论 转捩 二维平行流的小扰动方程 流动稳定性 前言 前言 香烟的烟雾为什么从规律的运动突然变为扭曲紊乱？你想过吗？ 缘起 流动有层流和湍流两种运动形态 ，自然界的绝大多数流动都是湍流； 转捩 从层流状态转变为湍流状态的过程称为转捩； 前言 任何一种层流，都存在一个临界雷诺数，当流动雷诺数大于临界雷诺数后，小扰动会在层流中发展起来，使其失去稳定性而变成湍流。流动稳定性研究的关键问题是分析扰动随时间的演化。 湍流、转捩、流动稳定性都是当代流体力学中的热点和难点问题，意义很大，但仍然没有解决，是科学技术史上经典的难题。 转捩问题的重要性首先在于层流时物体所受的阻力及传热能力和湍流时是大不一样的，人类希望了解并控制转捩。 前言 例子 转捩对传热影响的例子（AIAA 1998） 前言 雷诺实验 (Reynods 1883) 在雷诺数小于2000时，流动保持一条直线，流动为层流状态。 雷诺数增大（如提高流速），染色流线在下游某点发生变化，从剧烈振荡到破裂，并很快和清水剧烈掺混以至不能分辨出染色线 ，管中的流动变为湍流。 研究此时的闪光照片发现，这时的流体仍可分辨出一簇簇清晰的卷曲流丝和旋涡,这些旋涡以高达几千赫兹的频率作三维运动。 前言 由于湍流时色线的掺混主要是微团沿与主流垂直方向的脉动引起的，这种脉动运动大大加强了沿法向的动量传递，使管流和边界层等的速度剖面在层流和湍流状态有相当大的差别，湍流的壁面摩阻、热交换等比层流大的多。 前言 重要性 由于转捩对摩阻、热交换、流动的分离位置以及边界层的增长率等都有很大影响，因此研究转换有重要的实际意义。 一般希望推迟转捩 可以减少阻力和热传导，如可以减少飞机阻力，对于再进入大气层的宇宙飞船就可减少传入的热量。 有时也希望提前转捩 如有些飞