Stokes层的流动特性研究综述
发布时间：2021-11-14 19:50
Stokes层是一种典型的非定常流动,常见于波浪或潮汐作用下的水体底部。近年来关于Stokes特性的研究引起了国内外广泛的重视,尤其对其稳定性、转捩及湍流特性等方面的研究有助于人们进一步认识非定常流动的特性。综述了Stokes层的研究现状,包括实验、理论及数值模拟等方面,并指出了目前需要进一步探讨的问题。
【文章来源】：淮阴工学院学报. 2019,28(05)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
基本流速度在半个周期内的变化
近期,关于Stokes层的转捩解释出现了一种新的观点,这主要是基于Thomas等[22]的工作。他们认为实验条件下的Stokes层可能存在背景扰动影响,考虑了叠加高频扰动的Stokes层的线性稳定性问题,通过Floquet理论分析和数值模拟计算,发现幅值仅为1%的扰动就可以使得经典全局稳定性曲线中的临界雷诺数下降60%(图5),即R=300左右,与实验观测(R≈275)很接近,首次从线性稳定性角度为实验现象提供了解释,该结果还为不同实验条件下得到的不同结果提供了合理的解释。2 Stokes层的湍流特性
实验观测显示,当雷诺数R≈275时,Stokes层会从层流转变为湍流。与定常流相同,Stokes层的转捩也需要用流动稳定性理论来解释,由于其流动的非定常性,早期主要采用能量法来判断流动的稳定性,但用这种方法得到的临界雷诺数只有几十的量级[5- 6],与实验观测结果相差太大。目前研究Stokes层流动稳定性的主要途径分为两种,第一种被称为瞬时稳定性分析方法,即基于准定常假设,将基本流随时间的变化作为缓变量,通过求解瞬时O-S方程的特征值问题的方法进行分析[7-9];另一种是依赖Stokes层基本流的时间周期性,用Floquet理论对其进行整体稳定性问题分析[10-11]。从理论上讲,Floquet理论似乎更适合研究Stokes层的稳定性问题,但由于要求的计算量较大,早期研究只能在低雷诺数下进行,所得结果具有极大局限性。随着计算机性能的提高, Stokes层线性稳定性研究取得了重大突破, Blennerhassett 与 Bassom[12](以下称BB02)用Floquet理论对平板Stokes层的全局线性稳定性问题进行了研究,首次给出了部分波数范围内扰动的中性曲线,确定了全局稳定性的临界雷诺数为R=708,如图2所示。但这一结果与实验结果(R≈275)相差太大。 接下来,Blennerhassett[13](以下称BB06)为了解释BB02得到的与实验结果之间的巨大差异,考虑槽道以及圆管的影响,研究了有限Stokes层的稳定性,计算了不同槽道间距与管径的结果,但得到的最小临界雷诺数仍然是实验结果的2倍左右(图3)。图3 不同槽道间距和管径下的全局稳定性中性曲线(BB06[13])
【参考文献】：
期刊论文
[1]壁面的表面粗糙度引起的Stokes层亚临界不稳定性[J]. 孔玮,罗纪生. 航空动力学报. 2016(10)
[2]不可压平板边界层转捩机理[J]. 李宁,罗纪生. 航空动力学报. 2013(04)
[3]高超音速零攻角尖锥边界层转捩的机理[J]. 董明,罗纪生. 应用数学和力学. 2007(08)
[4]超音速平板边界层转捩中层流突变为湍流的机理研究[J]. 曹伟,黄章峰,周恒. 应用数学和力学. 2006(04)
[5]平面槽道流中层流-湍流转捩的“breakdown”过程的内在机理[J]. 王新军,罗纪生,周恒. 中国科学G辑:物理学、力学、天文学. 2005(01)
本文编号：3495251
【文章来源】：淮阴工学院学报. 2019,28(05)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
基本流速度在半个周期内的变化
近期,关于Stokes层的转捩解释出现了一种新的观点,这主要是基于Thomas等[22]的工作。他们认为实验条件下的Stokes层可能存在背景扰动影响,考虑了叠加高频扰动的Stokes层的线性稳定性问题,通过Floquet理论分析和数值模拟计算,发现幅值仅为1%的扰动就可以使得经典全局稳定性曲线中的临界雷诺数下降60%(图5),即R=300左右,与实验观测(R≈275)很接近,首次从线性稳定性角度为实验现象提供了解释,该结果还为不同实验条件下得到的不同结果提供了合理的解释。2 Stokes层的湍流特性
实验观测显示,当雷诺数R≈275时,Stokes层会从层流转变为湍流。与定常流相同,Stokes层的转捩也需要用流动稳定性理论来解释,由于其流动的非定常性,早期主要采用能量法来判断流动的稳定性,但用这种方法得到的临界雷诺数只有几十的量级[5- 6],与实验观测结果相差太大。目前研究Stokes层流动稳定性的主要途径分为两种,第一种被称为瞬时稳定性分析方法,即基于准定常假设,将基本流随时间的变化作为缓变量,通过求解瞬时O-S方程的特征值问题的方法进行分析[7-9];另一种是依赖Stokes层基本流的时间周期性,用Floquet理论对其进行整体稳定性问题分析[10-11]。从理论上讲,Floquet理论似乎更适合研究Stokes层的稳定性问题,但由于要求的计算量较大,早期研究只能在低雷诺数下进行,所得结果具有极大局限性。随着计算机性能的提高, Stokes层线性稳定性研究取得了重大突破, Blennerhassett 与 Bassom[12](以下称BB02)用Floquet理论对平板Stokes层的全局线性稳定性问题进行了研究,首次给出了部分波数范围内扰动的中性曲线,确定了全局稳定性的临界雷诺数为R=708,如图2所示。但这一结果与实验结果(R≈275)相差太大。 接下来,Blennerhassett[13](以下称BB06)为了解释BB02得到的与实验结果之间的巨大差异,考虑槽道以及圆管的影响,研究了有限Stokes层的稳定性,计算了不同槽道间距与管径的结果,但得到的最小临界雷诺数仍然是实验结果的2倍左右(图3)。图3 不同槽道间距和管径下的全局稳定性中性曲线(BB06[13])
【参考文献】：
期刊论文
[1]壁面的表面粗糙度引起的Stokes层亚临界不稳定性[J]. 孔玮,罗纪生. 航空动力学报. 2016(10)
[2]不可压平板边界层转捩机理[J]. 李宁,罗纪生. 航空动力学报. 2013(04)
[3]高超音速零攻角尖锥边界层转捩的机理[J]. 董明,罗纪生. 应用数学和力学. 2007(08)
[4]超音速平板边界层转捩中层流突变为湍流的机理研究[J]. 曹伟,黄章峰,周恒. 应用数学和力学. 2006(04)
[5]平面槽道流中层流-湍流转捩的“breakdown”过程的内在机理[J]. 王新军,罗纪生,周恒. 中国科学G辑:物理学、力学、天文学. 2005(01)
本文编号：3495251
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