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　　工學(xué)院陶建軍課題組關(guān)于槽流亞臨界轉(zhuǎn)捩的研究取得重要進(jìn)展

　　《Physics of Fluids》最近刊發(fā)了工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系、湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(bào)道了他們?cè)诓哿鱽喤R界轉(zhuǎn)捩研究上取得的最新成果。

　　流動(dòng)的層流態(tài)與湍流態(tài)的動(dòng)量、能量輸運(yùn)特性有很大差別。人們至今仍難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)粘性剪切流從層流向湍流亞臨界轉(zhuǎn)捩的位置和臨界參數(shù)，其中的主要困難在于該轉(zhuǎn)捩過(guò)程對(duì)外部有限幅值擾動(dòng)有很強(qiáng)的依賴性。這種不確定性給人們的航行器、發(fā)動(dòng)機(jī)及化學(xué)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)造成了障礙。存在亞臨界轉(zhuǎn)捩的一種典型流動(dòng)模型是plane-Poiseuille流(PPF)，即兩平行平板間的壓力驅(qū)動(dòng)流。

　　早在1928年Davies和White[1]就對(duì)槽流(PPF)的摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，但八十多年過(guò)去了，人們對(duì)其轉(zhuǎn)捩機(jī)制的認(rèn)識(shí)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(dòng)流向演化的需要，流場(chǎng)的展向和流向尺度都要很大，這對(duì)流場(chǎng)的測(cè)量技術(shù)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(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)局部擾動(dòng)(如吹吸)可以在雷諾數(shù)Re大于1000時(shí)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(shí)的湍斑上，從而忽略了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：人工(吹吸)擾動(dòng)并不是激發(fā)轉(zhuǎn)捩最有效的擾動(dòng)形式。

　　陶建軍">陶建軍課題組與瑞典KTH的Linné流體中心合作，對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)槽流(PPF)的轉(zhuǎn)捩過(guò)程在大計(jì)算域上進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬。計(jì)算在國(guó)家天津超算中心的天河-1(A)上進(jìn)行。經(jīng)過(guò)近三年的努力，得到如下結(jié)果。

　　(I)槽流亞臨界轉(zhuǎn)捩過(guò)程的特征結(jié)構(gòu)不是湍斑而是斜的湍流帶，其中心處為小尺度渦結(jié)構(gòu)，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?。湍流帶的統(tǒng)計(jì)特性，如流向長(zhǎng)度、展向長(zhǎng)度、對(duì)流速度、傾角與初始擾動(dòng)無(wú)關(guān)，而且是流場(chǎng)自發(fā)選擇的相干結(jié)構(gòu)，因而是最有效的擾動(dòng)形式。

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

　　(III)包含多條湍流帶的多組數(shù)值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，湍流帶之間的相互作用可導(dǎo)致其斷裂、衰減，即使在Re=930時(shí)仍可能使流場(chǎng)再層流化。流態(tài)戲劇性的轉(zhuǎn)變歸功于一種新的湍流擴(kuò)展機(jī)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(shí)有發(fā)生，但越來(lái)越頻繁的湍流帶分裂帶來(lái)了越來(lái)越多的子湍流帶。在Re大于1000后，局部湍流的兩種擴(kuò)展機(jī)制(傾斜伸長(zhǎng)和分裂)終于在同衰減機(jī)制(分裂)的競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)，從而獲得了真正能自維持的局部湍流。

　　這部分結(jié)果在《Physics of Fluids》作為L(zhǎng)etter發(fā)表[2]，第一作者為力學(xué)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(xiàng)目得到國(guó)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(zhuǎn)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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