雷諾數對后向臺階剪切層轉捩特性的影響

周 寧

(北京航空航天大學 教育部流體力學重點實驗室，北京100091)

迮 程

(中國空間技術研究院，北京100081)

潘 翀*

(北京航空航天大學 教育部流體力學重點實驗室，北京100091)

流動的分離和再附普遍存在于航空航天、流體機械等實際工程中，是一類具有重要學術意義和應用價值的流動現象.二維后向臺階具有最簡單的幾何外形，但同時包含了分離再附流動的所有重要特征和細節，因此常被作為研究分離再附流動的理想簡化模型.一般而言，流動的分離可分為兩種[1]:由逆壓梯度驅動產生的分離和由幾何形狀突變產生的分離.后向臺階流動屬于后者，邊界層在臺階角點處分離，在臺階下游形成自由剪切層.小雷諾數下，邊界層在分離時維持層流狀態，上方主流區和下方靜止流區間的較大速度梯度使得剪切層對特定小擾動線性失穩，這一不穩定性屬于對流不穩定性的范疇[2－3]，擾動在自由剪切層中沿流向增長，使得自由剪切層逐漸向湍流狀態過渡，同時卷出離散的大尺度展向渦，稱為層流分離剪切層轉捩[4－5].

后向臺階流動常被用于研究湍流分離—再附[6－7]及其引起的傳質、傳熱[8]和壓力脈動[9－10]問題，各種分離流動控制技術也主要應用在湍流分離—再附問題上[11].相比之下，后向臺階層流分離剪切層研究[12－13]中的旋渦結構[14－15]不可忽視，與之相關的轉捩問題的研究相對較少，且主要集中在理論研究方面.傳統的線性穩定性分析可以用來解決剪切層開始失……