壁面吹吸与表面活性剂作用下的流动稳定性研究.docVIP

附件2 论文中英文摘要 作者姓名：高鹏 论文题目：壁面吹吸和表面活性剂作用下的流动稳定性研究 作者简介：高鹏，男，1981年8月出生，2005年9月师从于中国科学技术大学陆夕云教授，于2008年7月获博士学位。 中 文 摘 要 流动稳定性分析是流体力学的一个重要研究领域。流动失稳现象广泛存在于工程问题和自然界中，导致流动不稳定性的物理因素也是多种多样的。壁面吹吸和表面活性剂是影响流动稳定性的重要因素，同时也是进行流动控制的常用手段，在工业领域中有应用。通过大量研究，这些因素建立了，例如：壁面吸气可以增强边界层的稳定性吹则相反；表面活性剂引起的 Marangoni 效应主要起着增强界面流动稳定性的作用，而其不稳定化作用只有在界面剪切率不为零才出现。然而，已有工作主要集中定常流动和简单界面问题的研究，对于工业领域自然界中广泛存在的非定常和多界面流动问题，其稳定性问题要复杂很多，而结论否推广到这复杂问题不清楚。本文以平面 Poiseuille 流动、平板振荡 Stokes 层、薄膜流动等流体力学中的典问题为研究对象，通过发展相的解析、半解析和数值计算方法并将其相互结合，研究了壁面吹吸、表面活性剂、流动周期性和多界面等因素相互耦合作用下的流动稳定性特征。发现简单流动条件下得到的结论往往不适用于复杂问题，在下甚至可以得到完全相反的结论为人们利用吹吸和表面活性剂进行流动控制提供了全新的认识相关研究成果均发表本学科最为权威的学术期刊 Journal of Fluid Mechanics和 Physics of Fluids 上。： 基于 Floquet 理论和线性稳定性分析，研究了周期性壁面吹吸对平面 Poiseuille 流动稳定性的影响我们考虑了固定压力梯度和固定流量两种情况，并分别与不带吹吸的流动以及定常吹吸作用下的流动进行对比。采用 Chebyshev 谱配置法计算分析了基本流场和稳定性特征在小吹吸振幅条件下给出了基本流场和主要模态扰动增长率的渐近解两种方法得到了相互的结果而物理机理。结果表明：周期性吹吸带来基本速度型的改变，在壁面附引起类似于振荡 Stokes 层的周期流场，并整流产生定常速度修正；与不带壁面吹吸的平面 Poiseuille 流动相比，在大部分吹吸参数下临界模态的增长率都会变大，从而流动的临界 Reynolds 数，说明周期吹吸会增强流动的不稳定性促进流动由层流向湍流的转捩；由于定常吹吸作用下的 Poiseuille 流动具有更强的稳定性，因此周期性吹吸与定常吹吸的作用完全相反，周期性吹吸更有利于增强流动混合；流动不稳定性的增强主要是由周期性吹吸对基本速度型的整流效应以及基本流场的周期性分量与扰动波之间的相互调制引起的；在固定压力梯度和固定流量两种情况下，壁面附的基本流场具有类似的结构，从而两种流动的稳定性特征也十分相似。该研究成果发表在 Physics of Fluids 上。 研究了定常均匀壁面吹吸对典型的周期性振荡边界层即平板 Stokes 层的稳定性影响。首先推导给出了带壁面吹吸时解析形式的基本流场，发现吸气会减小 Stokes 层沿法向的贯穿深度，吹气的作用则相反；吸气和吹气都会增大基本速度型沿法向的波长。由于流动在空间上的半无限特征，稳定性分析中传统数值计算具有很大的局限性。我们将研究平板 Stokes 层稳定性问题的半解析方法推广到带壁面吹吸的情况，分析了扰动模态的增长率和流场结构。结果表明：扰动模态的结构与不带吹吸的 Stokes 层在定性上是相似的；流动的临界 Reynolds 数随着吹气速度的增加单调下降，随着吸气速度的增加单调上升，表明壁面吸(吹)气起着增强(减弱)流动稳定性的作用；与定常边界层不同，基本流场的非平行效应对 Stokes 层稳定性的影响几乎可以忽略，因此壁面吹吸主要通过改变基本速度场的流向分量来影响 Stokes 层的稳定性；发现扰动增长对远场速度型非常敏感，提供了在Stokes 层稳定性研究中实验结果与理论结果不一致的一种解释；基于物理分析，给出了预测临界 Reynolds 数的近似公式，发现流动的临界 Reynolds 数近似随吹吸速度成指数变化，这对实际应用中利用壁面吹吸对周期性振荡边界层进行流动控制有指导意义。该成果发表在 Journal of Fluid Mechanics 上。 研究了双层薄膜流动的无惯性不稳定特性以及活性剂的影响该问题包含一个零剪切自由面和一个非零剪切界面。包括两部分内容，一是采用较为直观的方法阐述了长波扰动的失稳机制，另一是分析了表面活性剂和界面活性剂对流动稳定性的。在长波条件下，证明了自由面和界面的变形满足两个相互耦合的对流扩散方程，推导得到了其正则模解的形式，并由其直接判断出流动。首次揭示了自由面和界面扰动波之间的共振机制：每个模态对应