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剪切流及分离流结构和层流一湍流转捩 的研究 (成就和问题) B．B．K03JIOB 提要 本文介绍了剪切层 (边界层，Poiseuillc流、分离流、尾流)中层流向湍流 转捩过程的连续各阶段的实验研究结果，包括t给定流动对外部扰动的敏感性，产 生的波 (拟序结构)的线性发展，以及引起有序的层流流态破坏的非线性过程． 1 目『 售 目前，就减小空气介质中飞行器的阻力，提高它们的机动性，改善空气动力特性等方面 来说，空气动力学中的进展都与解决下列一些物理问题有关，第一，保持飞行器绕流的层流 流态 (层流化问题)，第二，·了解和控制流线垄表面上的流动分离}第三，为了降低阻力而 改变溢流的结构．同时，这些问题是描述湍流的更一般性基础问题的组成部分，所 以尽管有 了巨大的成就，这里仍有许多问题需要有它们 岛己的解．外部小扰动变为剪切流的固有扰动 (它们造成层流流态的破坏和 向湍浇的转捩)的各种机理研究得很少．最近对这种机理的极 大兴趣，也就是对剪切层中引入人为扰动方法的极大兴趣，是以直接采用这些人为扰动来控 制 向溢流转捩的可能性所引起的，兴趣在于直接积极影响那里具有的不稳定性波．这个 问题 不只与剪切流对外部扰动的敏感性 问题密切相关，而且与研究在该流动中引入的扰动的发展 密切相关．众所周知，转捩的过程不仅包括扰动发展的线性阶段，而且包括非线性阶段．如 果说对于边界层和 Poiseuille流中扰动的线性发展是充分研究过了的，那么，对于 引起初 始二维波三维畸变的扰动，其非线性发展的机理 以及各种频率和强度的扰动的相 互 作 用 过 程，至今尚未完全摘清楚． 一 般说来，至今还没有提出研究层流分离流中向湍流转捩的连续各阶段的问题，虽然这 种类型的分离流在形成绕流的一般图象时起着很大的作用，而且引起了研究者始终不变的注 意．虽然对这个方向研究的迫切性已有所了解，但还不具备计及与分离流中扰动发展相关的 非定常效应 的局部分离区的理论模型． 近20年来关于j譬}流剪切流结构的概念有了重大的改变．观点的演进与了解了许多类型允 分发展的剪切流中发现的太尺度有序组织或称拟序结构的作用有关．应该指出，关于拟序结 构方面知识的现代水平，其特点是不仅缺少某种通用理论，而且有关结构形成和发展的条件 本身的物理概念还处于形成的阶段．根据流体动力学稳定性理论，有可能建立具有拟序结构 的流动的研究，并且在分成结构形成的区域和结构发展的区域情况下，就象层流转捩成湍流 状态时所作舶那样，把这个过程看成向无序的湍流流态转捩的几个连贯的阶段 也是可能的． ·245 · 首先我们讨论第一个问题，即在剪切流中保持层流流态的问题．我们用边界层的例子米研究 这个问题． 2 边界层中清流的产生 很盐然．这爪l问题与从层流运动形式妇端流运动形式捣转换密切根关 、在文献中，通常 把 “转捩 概念仅仅理解为层流流态的瓦解过程和湍流的形成．转捩自研 始疆常与出现呈湍 流斑形式和呈大振幅低频脉动形式静过程存藩．但是，目前变得十分明显的是，最终引起层 流破坏的物理过程的长的连续性过程 (至少在外部小扰动的情况卞，正是在下列情况下其开 始时间要早得多，那就是在外部流中各种性质的外部扰动转变为剪切流的渡的情况下，或者 在 自身的剪切层中，例如对于流线型表面的不平坦处 (突出部，粗糙度)的边界层，在局部 · 的表面振动等等情况下出现剪切流的波的时候． - 为了筒亿分析 (根据[1])，可 以在空间划分出便于独立描述的三个 流 动 域，剪切 ， 外部流和流动开始 区 (例如，对于边界层，这是模型的前缘区，这里要区分成外部流和 边界层是不可能的)．类似于把完整的平均流分成剪切层和外部流，可把扰动分成剪切层的 振动和外部流的扰动．在研究时把实际上是完整的扰动场进行这样的划分，大大简化了对扰 动行为的分析和扰动在转捩过程中的作用．同时产生了彼此之间互相作用的问题，把各种类 型的扰动从这一种类型变换成另一种类型的问题，以及产生了弄清在湍流发生过程 中每种振 动类型的作用的必要性．