由高度有序且定向的表面粗糙度引起的湍流边界层中的大规模展向周期性外文翻译资料

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由高度有序且定向的表面粗糙度引起的湍流边界层中的大规模展向周期性

在零压力梯度湍流边界层中，研究了收敛 - 扩散的肋形表面粗糙度（“人字形”排列的肋条）的影响。对于这个初始参数调查，详细分析了三个不同的表面粗糙度参数;收敛 - 发散的横摆角度alpha;，在粗糙表面上的流向获取或展开长度以及粘滞标度的高低的横截面高度。观察到这种高度定向的表面粗糙度图案在边界层上引起大规模翼展周期性，导致边界层厚度的显着的翼展方向修改。热线测量表明，在发散区域之上，局部平均速度增加，而湍流强度减小，导致这些位置的整体边界层厚度变薄。相反的情况发生在会聚区域，其中局部平均速度减小并且湍流强度增加，产生局部更厚的边界层。增加收敛发散角或粘滞比例的高低起伏导致较强的展向扰动。对于最强的收敛发散角，发散区和收敛区之间的边界层厚度的展向变化几乎是两倍。考虑到肋的高度仅为未扰动的边界层厚度的1％，这样大的变化是显着的。增加提取似乎导致扰动从表面进一步增长，而诱导的高速和低速区域的整体强度保持相对不变。预倍频能谱的进一步分析表明，表面粗糙度已经修改或重新分配了最大尺度的能量结构。

1.介绍
在过去的三十年中，由于它们减少皮肤摩擦阻力的能力，已经在湍流边界层中观察到了许多肋状表面（Walsh，1983; Choi，1989; Bechert等，1997; Garcia-Mayoral and Jimenez，2011）。最初来自对快速游泳鲨鱼的微观皮肤拓扑结构的观察，肋条由沿流向排列的小的连续肋和凹槽组成。当波纹高度和间距在粘滞长度上适当缩放时，可实现湍流皮摩擦减小，在= 16-20，以及最佳高度 - 间距比= 0.5-0.7的范围内记录最佳间距（是粘滞长度，其中m是运动粘度，是壁摩擦速度）。实验和数值研究已经表明，当最佳缩放时，这些高度有序的粗糙表面可以实现高达7-10％的表面摩擦减少（参见Bechert等人，1997; Goldstein等人，1995）。已经提出了各种机制来解释这些表面如何实现这种减少，但一般来说，它们似乎很清楚地表明，它们以减少墙壁的总体速度梯度的方式修改了条纹和准流向涡的近壁周期（Kline等，1967; Robinson，1991; Schoppa和Hussain，2002） 。许多表面粗糙度可能会以这种方式干扰近壁面循环，但是肋条的流动连续几何形状不会产生附加形式的阻力，这是独特的。对于大多数粗糙表面，形式和表面摩擦阻力的组合会增加整体的“墙体阻力”（Jimeacute;nez，2004）。除了减少湍流边界层的阻力之外，研究还集中在肋片可能影响层流湍流过渡的能力上。这方面，肋的性能似乎高度依赖于过渡类型，似乎在二维线性情况下放大T-S波，同时有效地阻尼三维涡旋结构（参见例如Grek等，1996 ; Klumpp等，2010; Strand和Goldstein，2011）。

对于目前的工作，我们不打算在传统的安排中使用肋。相反，我们试图探索这些表面重新定向近壁流动的能力。我们这里的意图是以这样的方式来安排这些肋条，以便在湍流边界层内引起大规模的二级流动（大小在边界层厚度的数量级上）。这项工作是基于对Koeltzsch等人报道的完全发展的湍流管流的初步观察（2002年）。在这个非常有趣但很少被引用的实验中，我们知道一种聚合和发散的肋条（或“人字形”图案）被应用于湍流管道设施的内部。管道内表面的一半涂有在 45°处偏航的肋条。到轴向，而另一半的肋条布置在45°处，形成两半汇合的汇合和分叉区域。这项研究主要集中在为快速游泳鲨鱼的感觉受体周围的皮肤注意到的收敛纹理寻求流体动力学解释。这项研究的结果是深远的，但似乎忽视了工程影响，真是令人瞩目。通过对管壁进行微小的表面修改，人字形肋排布置能够将大尺度模式施加到管流的外部区域。我们在这里寻求重新审视这种高度新颖的表面准备并进行深入的参数研究。我们的动机在于研究这些表面对湍流边界层的被动流动控制的潜力，以及作为破坏某些自然发生的大规模相干运动的手段。

Koeltzsch等人报道的速度和湍流强度的方位变化（2002）有力地表明，这些会聚发散表面已经在湍流边界层中施加了大尺度涡旋模式。从现有的文献中，可以想到这种表面的许多潜在应用。在湍流边界层，Schoppa和Hussain（1998）已经证明（通过直接的数值模拟），通过施加大规模的反向旋转流向涡，湍流摩擦阻力可以大大降低。涡流只需要非常弱，然而它们可以破坏近壁面循环，从而可以产生高达20％的表面摩擦减少。最近，Fransson等人（2006）已经证明，在层状边界层中施加的高振幅稳定流向条纹可以延迟转变。最近，这些作者一直专注于使用微涡流发生器作为产生这种条纹的方法（Fransson和Talamelli，2012）。除了这种边界层控制的尝试之外，人们可以想到许多其他情况，其中涡流发生器用于流量控制目的（升力增强，分离延迟，传热增强等）。在这些例子中的许多例子中，正确定制的会聚 - 发散表面可以提供实现所需控制输入的方法是合理的。然而，在探索这些可能性之前，有必要进行参数研究以了解问题中涉及的关键变量。Koeltzsch等人的工作。 （2002）已经提出，发展长度是一个关键变量，报道诱导翼展扰动的强度随着下游流向距离的增加而增加粗糙的表面干扰。其他显而易见的参数是收敛 - 发散角，肋状截面几何以及会聚 - 发散模式的翼展重复波长（参见图1以定义这些参数）。我们在这里报告了前三个确定变量的初步调查。

图1.会聚 - 发散式肋状图的示意图，显示了会聚（区域r和t）和发散（区域s）展向流的预期区域。插图显示了肋横截面。

收敛发散表面的另一个有趣的应用可能是作为一种手段来引入非常大规模的模式，这些模式可能会破坏或干扰自然发生的非常大规模的相干运动或最近被发现存在高雷诺数的“上层建筑”数量湍流边界层（Kim和Adrian，1999; Adrian，2007; Hutchins和Marusic，2007a）。利用热风速计阵列（Hutchins和Marusic，2007a; Hutchins等，2011）和宽视场颗粒图像测速（PIV）实验（Ganapathisubramani等，2006）进行的测量表明，湍流边界层的对数区域为由正负速度波动的高度伸长的曲折区域组成。这种非常大规模的条纹在地表上有一个足迹（Hutchins and Marusic，2007a），似乎调节或控制近壁周期（Hutchins和Marusic，2007b; Mathis等，2009; Chung和McKeon，2010）。还有人指出，大规模的反转滚动模式伴随着这些特征（Hutchins和Marusic，2007b; Chung和McKeon，2010; Hutchins等，2012）。这些特征的起源目前还不清楚，但有人认为它们可能是由较小的发夹包结构串联形成的（例如参见Adrian，2007; Dennis和Nickels，2011）。为了探索与这些尺度的可能相互作用，这里研究的会聚 - 发散模式最初的尺寸应该大于“上层建筑”事件的自然发生翼展波长的展向波长。据作者所知，很少有研究调查了被动粗糙度修改“上层建筑”的能力。其中一项研究是Monty等人的研究。 （2011），他记录了规则分布的盲文点表面粗糙度的能力，以减弱最大湍流运动的能量含量。

2.实验装置

2.1设施

实验在位于墨尔本大学Walter Basset实验室的敞开式回风鼓风机风洞中进行。风洞有一个6.7米长的工作部分，横截面积为0.94*0.375米。工作部分的顶部可以完全调节，以便精确调节压力梯度。风洞的地板已被广泛地修改，以便使用位于隧道下方的液压升降机将其降下并与工作部分分离。这种修改允许光滑墙和粗糙表面之间的无缝交换。风洞的自由流动湍流水平低至0.3％，非常适合这种类型的调查。

2.2实验条件
在整个研究过程中，坐标系x，y和z指流向，翼展和壁法线方向。相应的速度分量由u，v和w表示。大写速度是指时间平均值。下标 表示速度的粘性缩放（即）或长度（即）。实验在行程下游的多个自由流动速度（）和x位置处进行，在表1中详述的光滑和各种粗糙表面上进行。表1中列出的边界层厚度是平均速度恢复到自由流值的98％（其中= 0.98）的壁正常位置。是使用第2.5节中概述的技术估算的壁面摩擦速度（，其中是壁面剪切应力，是流体密度）。下标s（即或）是指光滑壁情况，下标r（即或）用于表示特定翼展方向位置处粗糙表面上的局部值。下标sa（即，或）是指在粗糙壁表面的一

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