轉捩流

轉捩流（transition flow）是層流向湍流（紊流）轉化過程中的一種流動狀態。而這種轉化現象，稱為轉捩。轉捩區很窄時，可近似視作一點，稱為轉捩點。轉捩點的計算和預估是設計飛行器的關鍵前提。

轉捩可分為三種：自然轉捩（或橫流轉捩，natural transition），旁路轉捩（bypass transition），分離流轉捩（separation-induced transition）。自然轉捩發生在低湍流度下（Tu<1%），被認為是最普遍的一種轉捩形式。而旁路轉捩是由外部氣流（自由流湍流）的強幹擾引起的，其邊界層內擾動呈代數增長，不再服從指數規律，即不經過T-S波的小擾動增長過程而直接由層流突變為湍流。典型的例子是葉輪機械中的轉捩過程。

基本介紹

• 中文名：轉捩流
• 外文名：transition flow
• 分類：旁路、分離、自然轉捩
• 定義：層流向湍流轉化中的一種流動狀態
• 一級學科：航空科技
• 二級學科：流體力學

簡介

轉捩流是指層流到紊流的過渡。固體壁面上的附面層前一段通常為層流，後一段可能為紊流，中間有一過渡期，稱為轉捩區（圖1，δ為附面層厚度）。該區有時很窄，可近似視作一點，稱轉捩點。1883年，雷諾首先指出，當雷諾數大於臨界值時層流即不穩定，這是轉捩的先兆。這一假設是迄今大多數理論研究的出發點。影響轉捩的因素很多，諸如：自由流紊流度，馬赫數，雷諾數，壁面曲度（壓強梯度），壁面粗糙度，壁面穩定（熱傳遞），三維效應（次生流），噪聲和結構振動等。

圖1

目前，儘管一般地知道上述每一個因素單獨所起的作用，但對這些效應的綜合作用還了解得很少，迄今所提出的一些轉捩準則都是在十分特殊的條件下得到的，不能隨意套用。在管流和附面層流動中，都觀察到“重新層流化”和“逆轉捩”的現象。例如在圓管中，當雷諾數Re減到某一稱為下臨界值的雷諾數Re_lj時，流動狀態突然從紊流轉變為層流。“轉捩”及“逆轉捩”的研究對飛機設計、發動機設計有重要的實際意義，目前還沒有比較完善的理論，主要依靠實驗。

自然轉捩流

自然轉捩（Natural Transition）也叫橫流轉捩。對於高空飛行的飛行器而言，其邊界層轉捩由小擾動引起，稱為自然轉捩。

自然轉捩各階段具體如下：

自然轉捩過程圖

1：前緣之後的穩定層流；

2：具有二維Tollmien-Schlichting波的不穩定層流；

3：不穩定的三維擾動波開始發展並形成渦旋；展向渦量。

4：在局部渦量很高的地方湍流促發；三維渦破碎。

5：在湍流脈動速度大的地方形成湍斑；

6：湍斑聚結成充分發展的湍流邊界層。

計算方法

目前，轉捩點的計算約有三種方法：

1. 通過湍流模型計算。目前，湍流模型中還不是完全的理論公式，而是經驗公式。

2. 直接求解N-S方程。

3. 求解基於小擾動理論的線性穩定性方程和求解拋物線形穩定性方程。