王建杰, 易海明, 潘 翀,*, 王晉軍, 李 天

(1. 北京航空航天大學(xué) 流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100191; 2. 中國人民解放軍96833部隊(duì), 湖南 懷化 418000; 3. 沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所, 遼寧 沈陽 110035)

粗糙壁湍流研究現(xiàn)狀綜述

王建杰1, 易海明2, 潘 翀1,*, 王晉軍1, 李 天3

(1. 北京航空航天大學(xué) 流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100191; 2. 中國人民解放軍96833部隊(duì), 湖南 懷化 418000; 3. 沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所, 遼寧 沈陽 110035)

研究粗糙壁湍流的統(tǒng)計(jì)特性和流動結(jié)構(gòu)對于豐富湍流理論和指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重要意義。壁面相似律是粗糙壁湍流研究取得的經(jīng)典理論，最近關(guān)于湍流邊界層內(nèi)-外區(qū)不同尺度結(jié)構(gòu)之間存在相互作用的新的認(rèn)識，對壁面相似律的有效性提出了挑戰(zhàn)，壁面相似律的適用性成為目前研究的一個熱點(diǎn)問題。針對這一現(xiàn)狀，本文概述了近期國內(nèi)外在粗糙壁湍流研究中的重要成果，并進(jìn)一步討論了今后研究的可能方向。

粗糙壁湍流；壁面相似律；擬序結(jié)構(gòu)；內(nèi)-外區(qū)相互作用

0 引 言

按照流體微團(tuán)是否在垂直于主流的運(yùn)動方向上受到限制，湍流可分為自由湍流和壁湍流，后者的湍流特征主要集中在固壁邊界層內(nèi)，壁面剪切決定了其與自由湍流之間存在本質(zhì)區(qū)別。壁湍流廣泛存在于自然界和工程界中流體和固體壁面發(fā)生相對運(yùn)動的場合。近半個世紀(jì)以來對于壁湍流的研究主要基于光滑壁面假設(shè)，如對數(shù)區(qū)及標(biāo)度律[1-3]、近壁區(qū)自維持循環(huán)[4-5]、拉格朗日標(biāo)量輸運(yùn)[6]、湍流結(jié)構(gòu)系綜理論[7-8]等。光滑壁面假設(shè)壁面的粗糙度(以粗糙高度的均方根來衡量)相對于壁湍流的粘性尺度(ν/uτ，uτ為摩擦速度，ν為運(yùn)動粘性系數(shù))是小量，通常認(rèn)為：內(nèi)尺度無量綱的粗糙特征高度k+=kuτ/ν<4～5是水力光滑條件(文中上標(biāo)+均表示用內(nèi)尺度無量綱)。對于常見的工程流動(超聲速流動除外)來說，壁湍流的粘性尺度在2～20 μm的范圍內(nèi)，經(jīng)過機(jī)械精加工的固壁工作面的粗糙度在0.05～25 μm的水平，通常滿足水力光滑條件[9]。光滑壁面不考慮壁面粗糙度對粘性底層以上各流層(y+>5)的影響，減少了實(shí)驗(yàn)研究的不可控因素，因此被涉及到湍流機(jī)理的基礎(chǔ)研究所普遍采用。目前，絕大多數(shù)RANS(雷諾平均N-S方程)方法中的湍流模型和LES(大渦模擬)方法中的亞格子模型，都是基于光滑壁面假設(shè)。

然而，自然界也存在很多粗糙度對固壁工作面的影響不能被忽略的情況，如：大氣表面層(其邊界層厚度約在500 m量級)流經(jīng)森林或城市建筑群[10]，鯊魚表皮存在規(guī)則齒狀凸起[11]等。工程界中很多原本水力光滑的表面，在經(jīng)過一段時間的運(yùn)營后會降級為粗糙壁面，如：船舶殼體被海水侵蝕，風(fēng)機(jī)/渦輪葉片被昆蟲/油污附著[12]，輸水/油管道被泥沙/油污沉積，高超聲速飛行器表面被氣動熱燒蝕等。這會帶來摩擦阻力的增加，造成壁面散熱和傳質(zhì)效率偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，增加設(shè)備的運(yùn)營成本或縮短全壽命使用周期。此外，對汽車、飛行器等運(yùn)載工具而言，即使其工作表面光滑，但實(shí)際存在各種尺度的幾何缺陷，如：鉚釘、檢修艙蓋、傳感器罩、艙門縫隙等，仍會破壞固壁表面光滑平順條件，這些離散的壁面缺陷，如果特征尺度小于當(dāng)?shù)剡吔鐚雍穸龋部杀怀橄鬄殡x散粗糙單元。由此可見，粗糙在自然界和工程領(lǐng)域都較為普遍，研究壁面粗糙對于湍流邊界層的影響，能夠?yàn)檎J(rèn)清并解決這些自然和工程問題提供指導(dǎo)性意見。

對粗糙壁湍流的研究起源于粗糙管流水頭損失實(shí)驗(yàn)[13-15]，此后的研究多針對單一小尺度粗糙連續(xù)分布在壁面上的情況，如：砂紙、線網(wǎng)壁面等，由此發(fā)展起以速度虧損律、壁面相似律為代表的粗糙壁湍流經(jīng)典理論[16]。然而，對中高雷諾數(shù)光滑壁湍流的最新研究表明，湍流邊界層不同流層中不同尺度的擬序結(jié)構(gòu)之間存在相互作用[17-20]，即：不同流層的湍流結(jié)構(gòu)之間是相互影響、彼此依賴的，這給粗糙壁湍流經(jīng)典理論的上述觀點(diǎn)帶來了挑戰(zhàn)。粗糙元對不同流層湍流結(jié)構(gòu)的影響以及壁面相似律的適用性已經(jīng)成為壁湍流研究領(lǐng)域一個熱點(diǎn)問題。本文總結(jié)近年來國內(nèi)外在粗糙壁湍流研究中所取得的重要成果，并進(jìn)一步討論今后可能的研究方向。

1 光滑壁湍流擬序結(jié)構(gòu)

在概述粗糙壁湍流的研究成果前，先簡單介紹光滑壁湍流中的主要結(jié)構(gòu),以便后文闡明粗糙壁湍流的最近發(fā)現(xiàn)。光滑壁湍流中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的典型擬序結(jié)構(gòu)分別是：近壁條帶結(jié)構(gòu)[21-23]和流向渦[24]、發(fā)卡渦或馬蹄渦結(jié)構(gòu)[25-28]以及近期發(fā)現(xiàn)的大尺度運(yùn)動(LSMs)和超大尺度運(yùn)動(VLSMs)[29-31]。

圖1給出光滑壁湍流中近壁區(qū)的典型條帶結(jié)構(gòu)[21]，當(dāng)y+<30時，低速條帶呈現(xiàn)出沿流向拉長(流向可達(dá)1000壁面粘性單位以上)、沿展向準(zhǔn)周期變化的特征，其展向平均間距(范圍在80～120個壁面粘性單位之間)幾乎不隨雷諾數(shù)變化，但隨離開壁面的距離有增大的趨勢[32]。在近壁區(qū)與低速條帶有密切空間位置關(guān)系的是準(zhǔn)流向渦結(jié)構(gòu)，流向渦兩側(cè)分別為高速和低速流體，在流向渦上/下洗作用下形成的上拋和下掃過程是近壁區(qū)雷諾切應(yīng)力產(chǎn)生的根源[32-33]，同時，條帶和流向渦是近壁區(qū)自維持循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵擬序結(jié)構(gòu)[4, 34-35]。

馬蹄渦(發(fā)卡渦)結(jié)構(gòu)最早是由Theodorsen提出的一種概念模型[26]，其特征是兩條沿流向拉長的渦腿與抬起的沿展向呈弓形的渦頭相連，后期在湍流邊界層的直接數(shù)值模擬[36-37]和實(shí)驗(yàn)[38]中均被觀測到。潘翀[39]等、楊越[6]等和何國勝[40-41]等近期的拉格朗日觀測給出了轉(zhuǎn)捩邊界層中近壁流體卷起形成馬蹄渦的細(xì)節(jié)，潘翀等[42]用拉格朗日方法刻畫了低雷諾數(shù)湍流邊界層中馬蹄渦形成馬蹄渦包的過程，如圖2所示。

Adrian等[28,38]的研究表明，近壁區(qū)的馬蹄渦主要以渦包的形式存在，如圖3所示。渦包內(nèi)含有沿流向排列的多個發(fā)卡渦，其具有大致相同的對流速度，在渦腿之間協(xié)同誘導(dǎo)產(chǎn)生大尺度的低流向動量區(qū)，即為LSMs，其流向尺度約為2δ～3δ(δ為邊界層厚度)。隨著雷諾數(shù)的提高，大尺度結(jié)構(gòu)可延伸至對數(shù)區(qū)和尾跡區(qū)[29-31, 43]，以超長且彎折的低流向動量區(qū)為主要形態(tài),這種結(jié)構(gòu)在內(nèi)流中通常被稱為超大尺度結(jié)構(gòu)(VLSMs)，在外流中則被稱為超結(jié)構(gòu)。VLSMs的流向尺度可達(dá)邊界層厚度的10～15倍，鄭曉靜等[44]在大氣邊界層(Reτ=uτδ/ν=3×106)中同樣發(fā)現(xiàn)了超大尺度運(yùn)動。VLSMs和LSMs運(yùn)動對湍動能和雷諾應(yīng)力生成有重要貢獻(xiàn)，Balakumar[45]發(fā)現(xiàn)：40%～65%的湍動能和30%～50%的雷諾切應(yīng)力來源于流向波長(λx/δ)>3的長模態(tài)，Ganapathisubramani等[46]也發(fā)現(xiàn)對數(shù)區(qū)的渦包結(jié)構(gòu)對近壁區(qū)雷諾切應(yīng)力的貢獻(xiàn)很大。

內(nèi)外區(qū)的大/小尺度結(jié)構(gòu)存在明確的相互作用。如，在DNS和實(shí)驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)內(nèi)區(qū)中存在大尺度運(yùn)動的印跡[47-48]，Hutchins[49]發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)壁區(qū)的大尺度結(jié)構(gòu)對近壁運(yùn)動具有明顯的調(diào)制作用。黃永祥[50]發(fā)現(xiàn)在槽道湍流中，隨雷諾數(shù)增大，大尺度結(jié)構(gòu)對壁面平均摩擦應(yīng)力的貢獻(xiàn)增加。Deck等[51]最近的分區(qū)離散大渦模擬(DES)研究表明，內(nèi)外層的湍流結(jié)構(gòu)間存在強(qiáng)耦合，表現(xiàn)為外區(qū)大尺度結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度受到平均剪切和近壁區(qū)小尺度的影響，同時對內(nèi)區(qū)小尺度結(jié)構(gòu)在能譜和雷諾應(yīng)力上進(jìn)行調(diào)制。許春曉等[52-53]分析了抽吸氣/旋轉(zhuǎn)運(yùn)動對中等雷諾數(shù)槽道湍流的抑制機(jī)制，發(fā)現(xiàn)壓力-應(yīng)力和壓力-擴(kuò)散項(xiàng)首先突破垂向應(yīng)力輸運(yùn)的平衡并最終導(dǎo)致了湍流強(qiáng)度的全局性的抑制。

2 粗糙壁湍流

上一節(jié)簡要介紹了光滑壁湍流的四種典型擬序結(jié)構(gòu)。在中高雷諾數(shù)下，四種擬序結(jié)構(gòu)存在相互作用，這既豐富了壁湍流的復(fù)雜性，也給實(shí)際研究帶來了進(jìn)一步的難度。本節(jié)將在此基礎(chǔ)上，從三個方面總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者在粗糙壁湍流研究中所取得的最新成果，分別為：壁面相似律、壁面離散粗糙的繞流結(jié)構(gòu)及其對湍流邊界層原有結(jié)構(gòu)的影響。

2.1壁面相似律

如前所述，速度虧損律和壁面相似律是粗糙壁湍流經(jīng)典理論的最主要成就[16]，速度虧損律基于如下實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：壁面上存在的小尺度連續(xù)粗糙將整體拉低平均流向速度型U+(y+)，內(nèi)尺度無量綱公式為：

其中，κ和A分別是卡門常數(shù)和積分常數(shù)，ΔU+稱為粗糙函數(shù)。一般認(rèn)為ΔU+與粗糙所引起的當(dāng)?shù)啬Σ料禂?shù)的增量相關(guān)[54]。建立ΔU+與粗糙的特征尺度的函數(shù)關(guān)系，曾是很長一段時間內(nèi)的研究重點(diǎn)，如著名的Nikuradse公式[15]：

其中ks稱為等效砂礫高度。Wu等[55]研究渦輪葉片經(jīng)過一段時間后演變成的粗糙對湍流邊界層的影響，圖4所示為粗糙的表面形狀及粗糙度的概率密度分布，圖5為利用PIV實(shí)驗(yàn)得到的時均速度剖面，在此實(shí)驗(yàn)中，粗糙函數(shù)ΔU+=8.2，無量綱的等效砂礫高度ks+=115。

與k型粗糙相對應(yīng)的是d型粗糙，此時ks不再依賴于k，Perry等[59]認(rèn)為ks依賴于δ，即ks/δ為常數(shù)，但學(xué)術(shù)界對此尚有爭議[9]。d型粗糙對湍流研究有著特殊的意義：傳統(tǒng)壁湍流存在內(nèi)外兩個不同的特征尺度(粘性尺度和邊界層厚度)，而d型粗糙控制的壁湍流只依賴于一個外尺度。近20年對二維方槽(一種典型的d型粗糙)的研究表明，槽內(nèi)的回流泡與槽外的流動隔絕，因此方槽起到改變壁面零點(diǎn)的作用，其特征高度并不決定ks和ΔU+。

類似的結(jié)論也在Flack和Schultz的研究[67-70]中得到，他們利用實(shí)驗(yàn)的方法對不同形狀的粗糙進(jìn)行了大量的研究，涉及三維粗糙(砂紙[65]、網(wǎng)狀[67]、正方體[68]等)和二維粗糙(細(xì)長條狀粗糙[69])，結(jié)果表明只要保證足夠高的雷諾數(shù)和足夠大的尺度分離，粗糙對湍流統(tǒng)計(jì)量的影響僅局限于粗糙底層以內(nèi)，外區(qū)統(tǒng)計(jì)量與同雷諾數(shù)下光滑壁湍流相一致(圖6所示)，進(jìn)一步的譜分析和兩點(diǎn)相關(guān)結(jié)果表明外區(qū)流動結(jié)構(gòu)與光滑壁湍流同樣具有較高的相似性[67]。

王晉軍等[71-72]較早的開展了粗糙壁面明槽湍流的研究，使用激光多普勒測速儀測量了湍流統(tǒng)計(jì)特性的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)增加粗糙高度將使近壁區(qū)湍流均勻化的現(xiàn)象，提出了滿足自相似性的判據(jù)。陶建軍等[73]從理論上探討了圓管表面粗糙度對流動轉(zhuǎn)捩的影響，并針對雷諾數(shù)從800至1×106的粗糙管實(shí)驗(yàn)給出摩阻因子的一般形式。車得福等[74]研究了二維V型溝槽對湍流統(tǒng)計(jì)特性的影響，發(fā)現(xiàn)溝槽的密集度是一個重要的控制參數(shù)；在特定情況下，ΔU+不滿足傳統(tǒng)的虧損律，溝槽的影響將延伸至外區(qū)，改變掃掠事件對雷諾切應(yīng)力和單點(diǎn)高階統(tǒng)計(jì)矩的貢獻(xiàn)率。

2.2壁面粗糙單元的繞流結(jié)構(gòu)

探究壁面粗糙對于湍流邊界層的影響，需要弄清楚置于壁面的粗糙單元的繞流結(jié)構(gòu)。Acarlar和Smith[75]利用氫氣泡顯示的方法詳細(xì)對比觀察了半球形和半淚滴形粗糙的繞流結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)粗糙后方的尾跡結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：近壁面的低速條帶結(jié)構(gòu)、粗糙上方的馬蹄渦及其誘導(dǎo)的二次流動結(jié)構(gòu)，流動示意圖如圖7所示。當(dāng)基于粗糙高度和當(dāng)?shù)亓魉俚奶卣骼字Z數(shù)Rek>120(Rek=ukk/ν，uk為相同雷諾數(shù)下光滑壁湍流中同一位置上的流速)，馬蹄渦周期性的從粗糙后方的剪切層中脫落。

從轉(zhuǎn)捩/湍流控制的角度來說，通常不希望粗糙尾跡中包含此類周期性脫落的渦結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)近壁區(qū)以小尺度擬序結(jié)構(gòu)為核心的湍動能自維持過程，因此研究者們所選用的壁面粗糙一般工作于亞臨界范圍內(nèi)，即尾跡中只含有穩(wěn)定的低速結(jié)構(gòu)，從而起到抑制近壁區(qū)湍流橫向脈動的作用。Klebanoff等[76]發(fā)現(xiàn)：對于高徑比為1的三維離散粗糙，臨界雷諾數(shù)Rek=500～700，Erigin等[77]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)高徑比小于1后，離散粗糙的臨界雷諾數(shù)下降到300附近，并被后來的DNS所證實(shí)[78]。

王晉軍等[79]通過氫氣泡流動顯示研究了單個小半球和多個小半球?qū)τ谶吔鐚影l(fā)展的影響，對于單個半球粗糙，發(fā)現(xiàn)在駐渦和粗糙之間有一個明顯的間隔，位于x/r=-1.75(r為半球半徑)之內(nèi)的流體不會卷入駐渦，粗糙上方脫落的發(fā)卡渦的高度隨著流速的增加而減少。潘翀等[80]研究了圓柱狀離散粗糙顆粒在亞臨界/過臨界狀態(tài)下的繞流結(jié)構(gòu)，流動顯示結(jié)果表明粗糙顆粒在其上游引入逆壓梯度，在逆壓梯度的作用下邊界層內(nèi)的流體在粗糙顆粒的上游發(fā)生分離，并因此卷起一個或多個展向駐渦，駐渦在粗顆粒兩側(cè)向下游彎折，形成一對反向旋轉(zhuǎn)的流向渦，示意圖及流動顯示結(jié)果如圖8所示，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)對應(yīng)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的粗糙臨界雷諾數(shù)Rek介于339和443之間。

2.3粗糙壁湍流統(tǒng)計(jì)規(guī)律和流動結(jié)構(gòu)

上一節(jié)介紹了流體流過粗糙所產(chǎn)生的流動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本節(jié)闡明這些流動結(jié)構(gòu)與湍流原有擬序結(jié)構(gòu)發(fā)生相互干擾/作用后，將對原有的湍流統(tǒng)計(jì)特性和流動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生哪些影響。

在粗糙對近壁流動影響方面，Grass等[81-82]用氫氣泡顯示的方法發(fā)現(xiàn)粗糙的存在增加了噴射/掃掠事件，但抑制了近壁區(qū)的流向渦結(jié)構(gòu)。Pearson等[83]研究了砂礫對低雷諾數(shù)壁湍流的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體流過一段砂紙時，近壁區(qū)條帶結(jié)構(gòu)被破壞，體現(xiàn)在流向相關(guān)尺度縮短，展向相關(guān)尺度增大；而在砂紙的下游，條帶結(jié)構(gòu)會逐漸恢復(fù)至光滑壁湍流的水平。Krogstad等[84]利用熱線測量了網(wǎng)狀粗糙壁湍流的三速度分量，結(jié)果表明：在x-y平面，流向速度兩點(diǎn)相關(guān)ρuu的傾斜角大約為38°，而在光滑壁湍流中此角度大約為10°～15°[85]，且與光滑壁湍流相比，流向尺度大幅度減小而展向尺度變化不大。Bhaganagar等[86-87]的DNS研究表明，近壁區(qū)條帶的平均間距受到粗糙的顯著影響，且近壁區(qū)的瞬時渦結(jié)構(gòu)相比于光滑壁湍流更為復(fù)雜。

Guala等[88]采用二維PIV研究了離散半球狀粗糙對壁湍流的影響，拍攝平面為x-y平面，他們在離散粗糙壁面的下游流場中發(fā)現(xiàn)了馬蹄渦包和脫落渦結(jié)構(gòu)，如圖9紅色虛線框所示，B為粗糙位置。兩點(diǎn)相關(guān)結(jié)果表明，對比光滑壁湍流，其流向尺度及馬蹄渦包傾角均有所減小，其原因可能是粗糙表面脫落的渦結(jié)構(gòu)破壞了原有湍流結(jié)構(gòu)，增加了近壁區(qū)噴射事件的發(fā)生頻率。

Wu等[55, 89]實(shí)驗(yàn)研究了渦輪葉片經(jīng)過一段時間后演變形成的實(shí)際粗糙對湍流邊界層外區(qū)結(jié)構(gòu)的影響(粗糙形狀如圖4所示)，他們發(fā)現(xiàn)在粗糙底層以上，兩點(diǎn)相關(guān)的流向和展向尺度均與光滑壁湍流差異不大，進(jìn)一步的本征正交分解(POD)表明，遠(yuǎn)壁區(qū)的大尺度結(jié)構(gòu)易受壁面粗糙的影響，而小尺度結(jié)構(gòu)所受影響不明顯。在最近的實(shí)驗(yàn)研究中，Wu等[90]發(fā)現(xiàn)時均流動沿展向呈現(xiàn)高/低動量區(qū)(High/Low momentum flow pathways, HMP/LMP)交替分布特性，并在其交界處伴隨有較強(qiáng)的旋渦(如圖10所示)，進(jìn)一步的分析表明高低動量區(qū)出現(xiàn)的位置正好分別對應(yīng)粗糙外形輪廓凸起和凹陷的展向位置。

離散粗糙引入的繞流結(jié)構(gòu)，在合適的條件下也能通過與湍流原有流動結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用而抑制近壁區(qū)湍流脈動。如，王希麟等[91-92]研究了展向不同間距和不同粒徑的離散粗糙顆粒對近壁湍流擬序結(jié)構(gòu)的影響，得出的結(jié)論是：合理選擇粗糙間距和高度能夠?qū)崿F(xiàn)近壁湍流控制及減阻等。王晉軍等[93]在對溝槽面湍流邊界層近壁區(qū)擬序結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)現(xiàn)：溝槽限制了流體的橫向流動，增強(qiáng)了流動的穩(wěn)定性，并揭示了溝槽面減阻的機(jī)理。Zhang X[94]等研究了圓柱狀離散粗糙顆粒對壁湍流近壁區(qū)流場的影響，發(fā)現(xiàn)粗糙尾跡能夠主控近壁條帶的展向間距和sinuous不穩(wěn)定性，控制效果可以延伸至250個壁面單位的下游，但是，目前仍然缺乏對控制機(jī)理的深入認(rèn)識。

3 研究現(xiàn)狀總結(jié)

總結(jié)20世紀(jì)50年代以來國外對于粗糙壁湍流的研究工作，大部分都是圍繞壁面相似律展開，通過與光滑壁湍流對比，分析粗糙對湍流邊界層內(nèi)、外區(qū)流動結(jié)構(gòu)/統(tǒng)計(jì)特性的影響，如果粗糙的影響范圍僅限于粗糙底層之內(nèi)，則認(rèn)為壁面相似律成立，反之失效。但最新壁湍流研究表明：中高雷諾數(shù)下壁湍流不同流層中不同尺度的擬序結(jié)構(gòu)之間存在相互作用，如大尺度運(yùn)動對小尺度結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用[20]，這給粗糙壁湍流的上述經(jīng)典理論帶來了挑戰(zhàn)，粗糙的存在是否會改變不同尺度結(jié)構(gòu)間相互作用的形式以及如何改變，將是今后的研究方向。

國內(nèi)對于粗糙壁湍流的研究起步稍晚，目前還沒有形成一個完整的理論體系，所以仍需要不斷借鑒國外的優(yōu)秀研究成果，同時在其基礎(chǔ)上思索創(chuàng)新的可能，可以從粗糙外形(如分形粗糙)、數(shù)據(jù)處理手段(如動力學(xué)模態(tài)分解)以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)(如體式PIV)等方面加以考慮。研究不同形式的粗糙單元的繞流結(jié)構(gòu)及其對壁湍流流場統(tǒng)計(jì)特性和流動結(jié)構(gòu)的影響，將有助于進(jìn)一步豐富對壁湍流擬序結(jié)構(gòu)尺度間相互作用的認(rèn)識，厘清內(nèi)外區(qū)在湍動能/雷諾應(yīng)力生成、標(biāo)量輸運(yùn)等方面的不同地位和作用。

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Progressinrough-wallturbulence

WANG Jianjie1, YI Haiming2, PAN Chong1,*, WANG Jinjun1, LI Tian3

(1.FluidMechanicsKeyLaboratoryofMinistryofEducation,InstituteofFluidMechanics,BeihaiUniversity,Beijing100191,China; 2.The96833troopsoftheChinesePeople’sLiberationArmy,Huaihua418000,China; 3.ShenyangAircraftDesignandResearchInstitute,Shenyang110035,China))

Exploring the statistics and structural characteristics of rough-wall turbulence is of vital importance and essence to the turbulence theory and engineering application. A well-established theory in the rough-wall turbulence study was the wall similarity hypothesis, to which the latest finding of the inner-outer layer interaction between structures with different scales brings a severe challenge. Consequently, the validation of the hypothesis became a hot topic. In views of the current status, the present paper reviews recent major achievements in the rough-wall turbulence at home and abroad, and the possible contents in later research are further discussed.

rough-wall turbulence; wall similarity hypothesis; coherent structures; inner-outer layer interaction

O357.5

A

10.7638/kqdlxxb-2017.0033

0258-1825(2017)05-0611-09

2017-02-20;

2017-06-18

國家自然科學(xué)基金(11372001,11672020,11490552); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi) (YWF-16-JCTD-A-05)

王建杰(1991-), 男, 天津市薊縣人，博士研究生, 研究方向：粗糙壁湍流. E-mail：asewangjj@126.com

潘翀*，男，博士, 研究方向：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，湍流與流動穩(wěn)定性. E-mail: panchong@buaa.edu.cn

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