局部擾動(dòng)對(duì)平板邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性影響的研究

陸昌根，趙玲慧，沈露予

（南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210044）

0 引 言

平板邊界層穩(wěn)定性問(wèn)題對(duì)飛行器、船舶等動(dòng)力特性有著重要的影響，人們已經(jīng)對(duì)平板邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)捩問(wèn)題作了大量的理論工作，但局部擾動(dòng)對(duì)平板邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性影響和控制的研究較少；目前，仍有許多問(wèn)題需要我們?nèi)フJ(rèn)識(shí)和解決［1－2］。Herbert等人對(duì)平板邊界層流中穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究［3］，其某些結(jié)論已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。影響平板邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性的因素很多，包括溫度、對(duì)流、壓力梯度、壁面條件等等，且壁面局部擾動(dòng)是普遍存在的，它對(duì)流動(dòng)中的流體運(yùn)動(dòng)必然會(huì)產(chǎn)生影響。該局部擾動(dòng)必將影響到邊界層流動(dòng)的改變，這必將改變擾動(dòng)波在平板邊界層運(yùn)動(dòng)中的演化規(guī)律，誘導(dǎo)出 展向速度以及產(chǎn)生更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，最終將導(dǎo)致橫流不穩(wěn)定等［4－6］。實(shí)驗(yàn)表明，改變局部粗糙的分布及幾何形狀，可改變低速流動(dòng)的層流分離點(diǎn)。Floryan利用連續(xù)分布的抽吸結(jié)構(gòu)來(lái)模擬壁面粗糙的特征，并對(duì)Poiseuille流、Couette流及Blasius邊界層流中的擾動(dòng)波的穩(wěn)定特性進(jìn)行了數(shù)值研究，獲得了一些有意義的成果［7］。本文將在考慮前人研究的基礎(chǔ)上，在平板上設(shè)計(jì)不同形式的局部擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，數(shù)值研究該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擾動(dòng)對(duì)平板邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性影響和控制機(jī)理的問(wèn)題。對(duì)該問(wèn)題的進(jìn)一步數(shù)值研究，將會(huì)讓我們能做到有效地抑制平板邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程中湍流發(fā)生的物理機(jī)制。

1 理論方程和數(shù)值方法

采用的理論方程為不可壓、無(wú)量綱的N－S方程和連續(xù)方程：