由近壁条带失稳诱导的发卡涡包的形成机制

李 健，董 刚，张 辉，陈正寿，张建雷

（1.浙江海洋大学 船舶与机电工程学院，浙江 舟山316022；2.南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，南京210094；3.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江 舟山316022）

0 引 言

发卡涡结构是Theodorsen[1]于1952年首次提出的概念模型，它是指以“Λ”形状或“Ω”形状呈现出的旋涡结构。随着实验测试技术和计算机性能的高速发展，转捩和湍流边界层中存在发卡涡结构这一现象逐渐得到了证实[2-7]，尤其是直接数值模拟的开展，提供了三维瞬时流场的丰富数据并给出了发卡涡存在的直接证据[7]。该结构不仅可以被用来解释湍流雷诺应力和近壁条带的形成机理，而且对壁面摩擦阻力的形成和流动传热传质过程有重要的影响。

发卡涡的形成可来源于多种途径，如转捩过程中三维扰动波的发展[8-9]、发卡涡之间的碰撞[10]以及低速条带的失稳[11-15]。对于转捩后期出现的发卡涡结构，吴介之等[8]指出发卡涡的形成起源于层流边界层中的展向涡层，当扰动波指数型增长到一定阈值时，展向涡层通过Kelvin-Helmholtz不稳定卷曲形成展向涡管。在非线性扰动背景下，展向涡管发生变形，由于远离壁面的涡管沿下游的运动速度较快，展向涡管沿流向拉伸最终形成发卡涡。Adrain等[10]通过数值模拟发现发卡涡之间的相互作用可以诱导出新的发卡涡。由于发卡涡在沿下游的发展过程中其尺度逐渐增大，这会导致多个发卡涡之间沿展向相互碰撞，涡腿与涡腿、涡脖与涡腿、涡脖与涡脖之间的碰撞都可合并形成尺度更大的发卡涡。……