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　　工學院陶建軍課題組關于槽流亞臨界轉捩的研究取得重要進展

　　《Physics of Fluids》最近刊發(fā)了工學院力學與工程科學系、湍流與復雜系統(tǒng)國家重點實驗室陶建軍">陶建軍課題組的論文“Turbulent bands in plane-Poiseuille flow at moderate Reynolds numbers” (27, 0417022，2015), 報道了他們在槽流亞臨界轉捩研究上取得的最新成果。

　　流動的層流態(tài)與湍流態(tài)的動量、能量輸運特性有很大差別。人們至今仍難以準確預測粘性剪切流從層流向湍流亞臨界轉捩的位置和臨界參數(shù)，其中的主要困難在于該轉捩過程對外部有限幅值擾動有很強的依賴性。這種不確定性給人們的航行器、發(fā)動機及化學反應器的優(yōu)化設計造成了障礙。存在亞臨界轉捩的一種典型流動模型是plane-Poiseuille流(PPF)，即兩平行平板間的壓力驅動流。

　　早在1928年Davies和White[1]就對槽流(PPF)的摩擦阻力系數(shù)進行了系統(tǒng)的實驗測量，但八十多年過去了，人們對其轉捩機制的認識仍是非常不充分的，原因主要有以下兩方面。首先，為避免展向邊界的影響以及研究擾動流向演化的需要，流場的展向和流向尺度都要很大，這對流場的測量技術和數(shù)值模擬的規(guī)模均提出了很高的要求;其次，早期的流動顯示實驗發(fā)現(xiàn)局部擾動(如吹吸)可以在雷諾數(shù)Re大于1000時產(chǎn)生湍斑(spot)。受此影響，隨后的研究多聚焦在較高雷諾數(shù)(Re>1000)時的湍斑上，從而忽略了一個關鍵問題：人工(吹吸)擾動并不是激發(fā)轉捩最有效的擾動形式。

　　陶建軍">陶建軍課題組與瑞典KTH的Linné流體中心合作，對壓力驅動槽流(PPF)的轉捩過程在大計算域上進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬。計算在國家天津超算中心的天河-1(A)上進行。經(jīng)過近三年的努力，得到如下結果。

　　(I)槽流亞臨界轉捩過程的特征結構不是湍斑而是斜的湍流帶，其中心處為小尺度渦結構，外面圍以大尺度的環(huán)流。湍斑要么衰減掉要么演變?yōu)橥牧鲙В虼似鋲勖韧牧鲙〉枚唷Ｍ牧鲙У慕y(tǒng)計特性，如流向長度、展向長度、對流速度、傾角與初始擾動無關，而且是流場自發(fā)選擇的相干結構，因而是最有效的擾動形式。

　　(II)用短小的湍流帶作初始擾動的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當Re

　　(III)包含多條湍流帶的多組數(shù)值實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，湍流帶之間的相互作用可導致其斷裂、衰減，即使在Re=930時仍可能使流場再層流化。流態(tài)戲劇性的轉變歸功于一種新的湍流擴展機制-湍流帶分裂(band split)的出現(xiàn)。隨著雷諾數(shù)的增加，盡管湍流帶的斷裂仍時有發(fā)生，但越來越頻繁的湍流帶分裂帶來了越來越多的子湍流帶。在Re大于1000后，局部湍流的兩種擴展機制(傾斜伸長和分裂)終于在同衰減機制(分裂)的競爭中占優(yōu)，從而獲得了真正能自維持的局部湍流。

　　這部分結果在《Physics of Fluids》作為Letter發(fā)表[2]，第一作者為力學系博士生熊向明，合作者包括陳十一">陳十一教授和KTH的Brandt教授。該項目得到國家杰出青年基金和基金委創(chuàng)新研究群體的資助。亞臨界轉捩后期的成果目前整理待投。

　　[1] S. J. Davies & C. M. White, An experimental study of the flow of water in pipes of rectangular section, Proc. R. Soc. A 119, 92-107 (1928).

　　[2] X. Xiong, J. Tao, S.Y. Chen, L. Brandt, Turbulent bands in plane-Poiseuille flow at moderate Reynolds numbers, Phys. Fluids 27, 041702 (2015) .

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