32 发卡涡的形成及其结构 - 欢迎访问南京航空航天大学学报编辑部( 三 ) _发夹

许多学者分析了次生流向涡的演化过程，其中文献[15]指出由于主流向涡的中心为低压区，因此，主流向涡之外的流场压力都比流向涡中心处压力更大，形成压力梯度后，会使近壁区局部流场流动方向改变，从壁面上分离出去后，抬升便形成了次生流向涡。主流向涡与壁面相互作用诱导形成次生流向涡这一过程被用以解释湍流无序化的过程。同样地，次生流向涡与壁面相互作用会诱导出新次生流向涡，使涡系结构尺度不断地变小，直至演化成湍流。(a)涡腿不对称（t=6.2T，x=350） (b)主流向涡诱导形成次流向涡（t=6.2T，x=360）发卡涡涡腿和涡头部位压力云图及速度矢量图Fig. velocityvector distribution t=6.2T3.3 涡链特征单个T-S 波经过非线性阶段发展成单个发卡涡后，在其向下游运动过程中，由于高剪切层的作用，涡结构会逐渐地拉伸和变形。当涡腿再次桥接在一起时，第一个发卡涡脱离涡腿，形成第一个环状涡，同时新的发卡涡也已形成；而剩余部分的涡腿会形成第二个、第三个涡环，最终发展出四个涡环，形成链状，这样的涡系组织被称为涡链结构，涡链形成过程见图6 。
如图6所示，x =364所处位置为发卡涡头部；下游x =394 位置，可以看到涡环链的第一个涡环已经形成，上游x =389 =385涡腿再次桥接，即将形成第二、第三个涡环；下游在x =410、416、 422、429，即为一个完整涡链4 个环状涡的位置。从以上结果分析可以看出，在高剪切层作用下，发卡涡结构会不断地拉伸、逐渐远离壁面，之后会在涡头部位脱离，形成涡环，涡腿则桥接出新的涡头，如此循环，最终单个T-S 波演变出具有个涡环的涡链结构。文献[9]详细地分析了涡链形成的动态过程。涡链形成过程（t=6.4T）Fig. ring-likevortex chain 3.4 上喷下扫及高低速条带本次LES 结果可以通过涡头部附近的流向、法向速度云图来显示上喷下扫的过程。图7 =364)的截面图。从图7(a)中可以看出，在 (1,3)，z(11,14)处的流向速度明显比周围流体小，这是由于涡头中心存在上喷运动，把近壁低速流体带到主流区，进而与主流掺混导致当地流体速度减小。且图7(b)中同一位置法向速度是正的，也说明在此处发生了上喷运动。而观察涡头两侧，速度u 比同一法向位置的周围流体大，同时速度v 是负值，这正是下涡头部附近瞬时速度场分布（x=364）Fig. Instantaneousvelocity distribution around vortexhead(x=364) 扫运动造成的。
涡头中心的上喷运动导致近壁面低速流体向上运动，下扫运动把非黏性区的高速流体输运至下部低速流体区，形成了相对的高速区，这些运动都是涡管旋转时的诱导作用形成的。LES 同样也观察到了高低速条带现象。前文分析表明，伴随着主流向涡的旋转，产生上喷下扫运动。在涡腿内侧和涡环中心部位，会形成强烈的上喷运动，把近壁低速流体带到主流区，使近壁流体的能量减少，进而产生低速条带。而在涡头外侧和涡腿两边，则产生了下扫运动，使近壁注入新的能量，最终在近壁区形成高速条带。截面的流向速度云图，从图中可以清晰地看到高低速条带。根据图像显示，高速条带稳定连续，而低速条带则表现出不连续的现象。低速条带的不连续，归因于涡环的产生。涡环从涡头脱离出来时，与涡腿断裂，造成局部流场的旋转方向改变从而其旋转强度降低。于是，其上喷运动减弱，最终以低速条带不连续的现象呈现出来，这与文献[7]的直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS）结果一致。高低速条带（t=7T）Fig. High/lowspeed streaks (t=7T) 结论本文采用 LES 数值方法研究了平板自然转捩过程，分别分析了发卡涡、涡链的生成以及上喷下扫等重要现象，并且观测到了层流转捩成湍流的完整演化过程。

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