後向台階流動穩定性和轉捩的動力學模態研究

《後向台階流動穩定性和轉捩的動力學模態研究》是依託北京航空航天大學，由潘翀擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：後向台階流動穩定性和轉捩的動力學模態研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：潘翀
• 項目類別：面上項目

項目摘要

分離剪下層轉捩是流動穩定性與轉捩的重要研究內容。在青年基金的資助下，前期完成了對後向台階轉捩流場的二維PIV測量，研究了雷諾數對剪下層轉捩特性和大尺度旋渦捲起的影響規律，並針對動力學模態分解（DMD）方法、二維/三維受控擾動產生方法等進行了技術儲備。.在此基礎上，擬繼續深化對分離剪下層流動穩定性和轉捩機理的研究，以基於DMD的流場穩定性分析方法為基礎，圍繞“K-H不穩定性對初始擾動的選擇機制”和“再附區大尺度旋渦的複雜動力學行為”兩個科學問題，綜合運用二維/體式PIV測量、受控擾動激勵技術和旋渦辨識技術等多種研究手段，研究後向台階流動的低維動力學模態特性，包括：無受控條件下的擾動增長特性、二維擾動對K-H不穩定性的影響、分離剪下層對三維擾動的回響、再附區旋渦的形態學和運動學特性。從而加深對剪下層流動穩定性和轉捩的認識，檢驗近期的部分理論和數值研究，並嘗試探索分離-再附控制新技術。

結題摘要

後向台階流動是一種最簡單的二維分離-再附流動，但卻包含了分離-再附流動的所有主要特徵，能夠代表工業套用中的多種典型分離-再附流動，因此研究後向台階流動具有重要的學術研究意義和工業套用價值。本項目對後向台階分離剪下層流動穩定性和轉捩機理進行實驗研究,以基於DMD和POD的流場穩定性分析方法為基礎，圍繞“K-H不穩定性對初始擾動的選擇機制”和“再附區大尺度旋渦的複雜動力學行為”兩個科學問題，綜合運用二維/體式PIV測量、受控擾動激勵技術和旋渦辨識技術等多種研究手段，研究了後向台階流動的低維動力學模態特性，包括：無受控條件下的擾動增長特性、二維擾動對K-H不穩定性的影響、分離剪下層對三維擾動的回響、再附區旋渦的形態學和運動學等研究內容。研究發現，在過渡區中，分離後的層流剪下層在穩定性機製作用下在再附之前即發生向湍流狀態的轉變，其流態與層流分離層流再附及湍流分離湍流再附的情況明顯不同。該流動的非定常性體現在剪下層和再附點的拍動，流動的三維化表現為剪下層的三維演化，進一步從渦-渦相互作用的角度出發，研究了剪下層和再附點的拍動特性、拍動的產生機理。為弄清層流分離剪下層轉捩現象中的剪下層不穩定性、旋渦相互作用、湍流自維持等問題提供新的依據。此外，還在DMD不確定度分析、PIV快速後處理算法、壁面摩阻測量方法、新的模態辨識和分解方法等方面進行了有益的研究，發展了新的流體力學實驗和數據分析方法。本項目的相關成果發表SCI論文9篇、EI論文2篇（均標註基金資助），獲批國家發明專利2項、軟體著作權5項。