李姜華，王伯福?，邱翔，周全??，劉宇陸

①上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院/上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所，上海 200072；②上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，上海 201400

近壁圓柱繞流運(yùn)動普遍存在于許多工程領(lǐng)域中。在河床底部和海底附近的輸油管道或光纜等受橫流作用會產(chǎn)生大尺度渦脫落，從而產(chǎn)生沖刷河床底部的現(xiàn)象；飛機(jī)著陸和起飛階段的尾渦與地面跑道相互作用會影響飛機(jī)的升力和阻力；渦輪機(jī)械中上游轉(zhuǎn)子葉片尾跡對下游定子葉片流場產(chǎn)生影響；航空工程中大型客機(jī)機(jī)翼前緣縫翼與主翼相互影響；海洋工程中近海底潛艇在洋流作用下與底壁相互作用會留下被監(jiān)測的痕跡：這些實(shí)際工程問題都可以簡化成近壁面圓柱繞流的物理模型[1-4]。當(dāng)圓柱靠近壁面時(shí)，圓柱尾流與壁面邊界層會產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，研究其相互作用的復(fù)雜機(jī)理對實(shí)際工業(yè)和工程應(yīng)用中進(jìn)行管道形狀優(yōu)化、機(jī)翼或葉片設(shè)計(jì)以提高傳熱傳質(zhì)效率和減小壁面摩擦阻力等具有重要意義。

單圓柱繞流是一個經(jīng)典的流體力學(xué)問題[5-10]。圓柱放置在遠(yuǎn)離壁面的位置，即不受壁面影響時(shí)，其尾流卡門渦街呈周期性的旋轉(zhuǎn)渦對，在向下游演化的過程中逐漸衰減、耗散并最終湮滅。當(dāng)圓柱放置在壁面附近時(shí)，由于壁面邊界的存在，圓柱繞流尾流渦結(jié)構(gòu)脫落的周期性和規(guī)律性將受到破壞，這將區(qū)別于單圓柱繞流的尾流特性。圖1為近壁圓柱繞流示意圖[11]，其中圓柱直徑記為D，圓柱下沿至壁面的距離(即間隙大小)為G，邊界層厚度為δ，來流速度為U。需要指出的是，這里的邊界層厚度δ一般為相同雷諾數(shù)下未放置圓柱的平板邊界層厚度。

圖1 近壁面圓柱繞流示意圖[11]

近壁圓柱繞流時(shí)，不僅圓柱尾流會受到壁面的影響，壁面邊界層也會受到圓柱尾流的影響。大尺度的圓柱尾流結(jié)構(gòu)與邊界層相互作用時(shí)，會在邊界層中產(chǎn)生新的湍流結(jié)構(gòu)和流動現(xiàn)象。近壁圓柱繞流尾渦在壁面產(chǎn)生逆壓梯度，可視為固壁黏性無法進(jìn)一步阻止旋渦誘導(dǎo)作用的結(jié)果[12]，致使邊界層分離，繼而產(chǎn)生二次渦結(jié)構(gòu)[13]。對二維非定常不可壓N-S方程求解，結(jié)果顯示：從壁面脫落的二次渦圍繞尾渦旋轉(zhuǎn)，其后新的三次渦乃至四次渦會相繼產(chǎn)生并繞尾渦旋轉(zhuǎn)，引起尾渦運(yùn)動軌跡的上下波動[14]。Li等人[15]通過數(shù)值模擬得到的流場具有相同的流動現(xiàn)象。Pan等人[16]研究發(fā)現(xiàn)，近壁圓柱繞流尾渦在壁面附近誘導(dǎo)產(chǎn)生的二次渦三維失穩(wěn)形成發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)，致使邊界層發(fā)生轉(zhuǎn)捩，最終邊界層發(fā)展為湍流邊界層。此時(shí)的湍流邊界層中存在大量壁湍流的典型湍流結(jié)構(gòu)，包括發(fā)卡渦、發(fā)卡渦包和高低速條帶等[16-19]。壁湍流中的湍流結(jié)構(gòu)又受到壁面距離的影響而呈現(xiàn)層級現(xiàn)象[20]。壁湍流結(jié)構(gòu)的能量因壁面剪切可以持續(xù)得到補(bǔ)充，因而具有更加復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)形態(tài)[20-23]。這又區(qū)別于單圓柱繞流產(chǎn)生的衰減的尾渦結(jié)構(gòu)。

近壁圓柱繞流尾流與邊界層的相互作用是工程中典型的復(fù)雜湍流類型之一，伴隨著復(fù)雜的多尺度相互作用過程。由于相互作用產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)與圓柱繞流脫落的主渦的相互作用伴隨著非常復(fù)雜的動量和能量的輸運(yùn)過程，這些復(fù)雜湍流結(jié)構(gòu)的相互作用增加了湍流問題的復(fù)雜性。關(guān)注自由剪切和壁湍流兩種不同類型剪切湍流的相互作用機(jī)制也提供了研究湍流機(jī)理的不同視角，而對其動力學(xué)行為的研究也有助于尋找優(yōu)化的流動控制方案。本文回顧已有近壁圓柱繞流的研究結(jié)果，主要從邊界層對圓柱渦脫落的影響和圓柱尾流對邊界層的影響兩大方面進(jìn)行介紹。

1 邊界層對圓柱渦脫落的影響

1.1 邊界層厚度和間隙大小對圓柱渦脫落、升阻力的影響

單圓柱繞流在超過臨界雷諾數(shù)時(shí)，圓柱上會發(fā)生規(guī)則的渦脫落，如圖2所示，在圓柱后方形成卡門渦街。渦從圓柱脫落會導(dǎo)致圓柱周圍局部壓力變化，這樣就形成了圓柱所受阻力和升力的脈動。記無量綱阻力系數(shù)、升力系數(shù)和渦脫落頻率分別為CD、CL和St，這三個參數(shù)是工程應(yīng)用中最關(guān)注的物理量。當(dāng)圓柱位于壁面邊界層附近時(shí)，邊界層內(nèi)的速度梯度和邊界層的湍流特性對這些參數(shù)也有一定的影響[25]。

圖2 單圓柱繞流可視化顯示：(a)虛擬染色可視化；(b)Sadatoshi Thanda拍攝的煙跡可視化[24]

早期對此類問題的研究，主要方法是拉動圓柱運(yùn)動，而流體是保持靜止的[26]，因此沒有邊界層的影響。隨著研究的深入，研究者開始觀察到了邊界層厚度和間隙比(G/D)對圓柱渦脫落和圓柱升阻力的影響。Bearman和Zdravkovich[27]研究了邊界層厚度為0.8D時(shí)的圓柱渦脫落情況，發(fā)現(xiàn)在間隙比大于0.3時(shí)，規(guī)則的渦脫落發(fā)生，St穩(wěn)定于某個常數(shù)，不隨G/D變化而變化，但是G/D小于0.3時(shí)，渦脫落受到抑制。在壓力檢測過程中，他們發(fā)現(xiàn)G/D小于0.6時(shí)，隨著G/D的減小，圓柱基壓的變化幅度迅速減小。對于小間隙比，前駐點(diǎn)會移動到壁面，從而產(chǎn)生一個穩(wěn)定的平均升力。Grass等人[28]發(fā)現(xiàn)當(dāng)間隙比小于2時(shí)，St隨著間隙比減小而上升，他們認(rèn)為下游邊界層分離產(chǎn)生了自由射流，使得靠近壁面?zhèn)鹊膱A柱尾流渦量被抵消，從而抑制了渦脫落。Zdravkovich[29]研究了CD隨著不同邊界層厚度的變化，結(jié)果表明：當(dāng)圓柱位于邊界層外時(shí)，阻力系數(shù)是個常數(shù)；圓柱進(jìn)入邊界層內(nèi)時(shí)，CD隨著間隙和邊界層厚度之比下降而下降。Buresti[30]的研究結(jié)果顯示升力大小在很大程度上依賴于間隙比的大小。

Lei等人[25]探究了邊界層厚度和間隙比的影響，結(jié)果顯示阻力系數(shù)受間隙變化的影響比受邊界層厚度的影響更大。間隙比大于0.7，阻力系數(shù)隨著間隙比增長幾乎線性增長，而降低邊界層厚度只會引起阻力系數(shù)的輕微上升。升力系數(shù)在較薄的邊界層中隨著間隙比的增大而逐漸減小，最終保持穩(wěn)定，在這個過程中沒有出現(xiàn)負(fù)值；但是在較厚的邊界層中隨著間隙比的增大，先減小至負(fù)值再逐漸增大，最終保持在零值附近。最近，Zhou等人[31]通過PIV(particle image velocimetry)實(shí)驗(yàn)研究了間隙比對圓柱渦脫落的影響，發(fā)現(xiàn)圓柱渦脫落頻率對間隙比有很強(qiáng)的依賴。

近期文獻(xiàn)對近壁圓柱繞流問題中圓柱受力情況的關(guān)注較少，更多關(guān)注的是圓柱尾流的流動現(xiàn)象。

1.2 間隙比和雷諾數(shù)變化對圓柱尾流的影響

由于壁面的存在，近壁面圓柱繞流尾流不同于圖2所示的單圓柱繞流尾流，圓柱后方無法形成規(guī)則的卡門渦街。對于近壁面圓柱繞流流動，已有研究者在不同間隙比(G/D)和雷諾數(shù)(Re)下進(jìn)行了大量的可視化研究。Bearman和Zdravkovich[27]考慮較薄邊界層情況下G/D對圓柱尾流的影響，流動顯示結(jié)果表明，小間隙比時(shí)，圓柱渦脫落被抑制，同時(shí)在圓柱上游和下游的壁面上形成了分離泡。

Cheng等人[32]對Re=500、01.25時(shí)，順時(shí)針旋渦(記為PV)和逆時(shí)針旋渦(記為NV)同時(shí)存在，即圓柱上下側(cè)均能脫渦，但是NV占據(jù)主導(dǎo)地位。G/D>2時(shí)，St為0.2。然而G/D<2時(shí)，St隨G/D的降低而增加，且在G/D=0.625時(shí)St達(dá)到最大值0.252；G/D進(jìn)一步降低會導(dǎo)致St降低，直到G/D=0.125時(shí)達(dá)到St=0.23。

Price等人[11]的近壁圓柱繞流流動可視化實(shí)驗(yàn)研究中考慮的參數(shù)為Re=1 200～4 960、G/D=0～2。主要結(jié)論如下：①對于非常小的間隙，G/D≤0.125，如圖3(a)所示，圓柱下方的間隙流極弱甚至被抑制，圓柱上游和下游壁面邊界層都發(fā)生了分離。雖然沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)則的渦脫落，但是在圓柱尾流中監(jiān)測到了與圓柱上方剪切層相關(guān)的周期信號。②0.1251.0，如圖3(d)，圓柱上游邊界層沒有分離。

圖3 不同間隙比近壁圓柱繞流實(shí)驗(yàn)拍攝結(jié)果[11]：(a) G/D=0.125；(b) G/D=0.25；(c) G/D=0.5；(d) G/D=1.5

Wang等人[33]利用PIV研究了湍流邊界層對圓柱尾流的影響，考慮參數(shù)為Re=1.2×104、0.1

He等人[37]開展了Re=1 072時(shí)不同間隙比(G/D=0～3)近壁圓柱繞流尾流的渦動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。他們利用頻譜分析得到G/D≥0.5的流場圓柱渦脫落頻率，但是小間隙比時(shí)并未發(fā)現(xiàn)特征頻率，而Price等人[11]利用流場中某些特定位置速度信號得到了小間隙比的特征頻率。He等人[37]利用頻譜分析得到的圓柱渦脫落頻率進(jìn)行了流場相位平均，渦識別結(jié)果如圖4所示，圓柱上周期性地脫落渦，但是由于壁面的存在，圓柱尾流并未關(guān)于圓柱中心線對稱分布。利用相位平均得到的流場，He等人也進(jìn)行了渦結(jié)構(gòu)追蹤，如圖5所示，在小間隙比情況下，圓柱尾渦軌跡存在交叉現(xiàn)象。這與Sarkar和Sarkar[34-35]的結(jié)果一致。He等人[37]同時(shí)使用虛擬染色劑的方法展示了渦結(jié)構(gòu)演化(圖6)，發(fā)現(xiàn)在小間隙時(shí)，邊界層對圓柱尾流的影響更大，邊界層分離的渦結(jié)構(gòu)會被卷進(jìn)圓柱尾流，導(dǎo)致尾流中不同尺度結(jié)構(gòu)的相互作用更加復(fù)雜，而在較大間隙比情況下并未發(fā)生此類現(xiàn)象。與圖2相比，壁面的存在導(dǎo)致圓柱尾流出現(xiàn)明顯的不對稱性。

圖4 G/D=1，不同相位角的流場渦結(jié)構(gòu)識別[37]：(a) Φ=0；(b) Φ=π/2；(c) Φ=π；(d) Φ=3π/4。顏色代表渦量旋轉(zhuǎn)方向

圖5 不同間隙比的渦結(jié)構(gòu)空間演化[37]：(a) G/D=0.5；(b) G/D=1.0；(c) G/D=1.5；(d) G/D=2.0。藍(lán)色代表圓柱上側(cè)脫落渦的渦核運(yùn)動軌跡，紅色代表圓柱下側(cè)脫落渦的渦核運(yùn)動軌跡，黑色代表二次渦的渦核運(yùn)動軌跡

圖6 不同間隙比下，虛擬染色劑顯示的瞬時(shí)渦結(jié)構(gòu)時(shí)空演化[37]：(a) G/D=0.5；(b) G/D=1.0；(c) G/D=2.0。藍(lán)色代表圓柱上側(cè)脫落渦結(jié)構(gòu)，青色代表圓柱下側(cè)脫落渦結(jié)構(gòu)，紅色代表二次渦結(jié)構(gòu)；虛線圓標(biāo)記的是圓柱尾流二次渦的相互作用及演化

Zhou等人[31]使用本征正交模態(tài)分解(The proper orthogonal decomposition, POD)低階重構(gòu)了PIV拍攝的流場并利用渦識別準(zhǔn)則刻畫了不同間隙比情況下圓柱渦和二次渦的演化過程。邱翔等人[36]實(shí)驗(yàn)研究了雷諾數(shù)對圓柱尾流與邊界層相互作用的影響，發(fā)現(xiàn)隨著雷諾數(shù)降低，流場中大尺度結(jié)構(gòu)減少，并且他們發(fā)現(xiàn)高雷諾數(shù)時(shí)，近壁區(qū)出現(xiàn)較強(qiáng)的流向渦結(jié)構(gòu)。

Ouro等人[38]通過實(shí)驗(yàn)和LES數(shù)值模擬研究了近壁面圓柱繞流的近尾跡動力學(xué)行為，主要考慮的間隙比為0.5和1.0，雷諾數(shù)為6 666、10 000和13 333。需要注意的是，在Ouro等人的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中，圓柱均位于壁面邊界層內(nèi)，且壁法線方向高度為3D，上邊界條件為自由面，因此除了壁面邊界層還有自由面對圓柱尾流產(chǎn)生影響，而Ouro等人更多關(guān)注的是下壁面對圓柱繞流近尾跡的動力學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果均反應(yīng)了近壁效應(yīng)導(dǎo)致的圓柱繞流近尾跡的抬升效應(yīng)。G/D=0.5時(shí)，下壁面顯著影響了渦的產(chǎn)生和脫落，導(dǎo)致尾跡的非對稱分布隨著Re增加而更加明顯；G/D=1.0時(shí)，尾跡相對對稱。數(shù)值模擬流場的展向渦量(圖7)展示了近尾跡的流動結(jié)構(gòu)。不同于前文提到的低雷諾數(shù)流動現(xiàn)象，相對較高的雷諾數(shù)導(dǎo)致圓柱上下側(cè)的剪切層發(fā)生了Kelvin-Helmholtz(KH)不穩(wěn)定。在KH不穩(wěn)定之后，剪切層分解成小渦(KH渦)，并在向下游演化的過程中與完全湍流狀態(tài)的近尾跡合并。KH不穩(wěn)定在圓柱上下側(cè)發(fā)展，過程是解耦的，即其產(chǎn)生過程并非是同步的。圖8展示了瞬時(shí)流場的渦結(jié)構(gòu)等值面，其中虛線標(biāo)記的結(jié)構(gòu)即為KH渦，KH渦從圓柱上下側(cè)的轉(zhuǎn)捩剪切層分離之后，展向分布并不平行于圓柱，而是呈波浪形，且展向波數(shù)約為πD/2，與Braza等人[39]的研究結(jié)果一致。尾流向下游演化的過程中出現(xiàn)了渦分裂和渦不連續(xù)現(xiàn)象。

圖7 LES數(shù)值模擬瞬時(shí)流場渦量云圖[38]：(a) G/D=0.5，Re=6 666；(b) G/D=1.0，Re=13 333。顏色代表渦量旋轉(zhuǎn)方向

圖8 LES數(shù)值模擬瞬時(shí)流場Q準(zhǔn)則識別的渦結(jié)構(gòu)等值面[38]，G/D=0.5，Re=13 333。色帶代表壁法線高度。虛線標(biāo)注的是KH渦；箭頭標(biāo)記的是渦分裂和渦不連續(xù)

2 圓柱尾流對邊界層發(fā)展的影響

上文提到近壁圓柱繞流尾渦會誘導(dǎo)下壁面邊界層失穩(wěn)，形成二次渦結(jié)構(gòu)(圖4)，并在壁面附近產(chǎn)生與圓柱上表面脫落渦相同旋轉(zhuǎn)方向的二次渦結(jié)構(gòu)。圖5同時(shí)展示了二次渦的運(yùn)動軌跡。這些二次渦的演化會對壁面邊界層的發(fā)展產(chǎn)生重要作用。

Kyriakides等人[40]首次實(shí)驗(yàn)研究了近壁圓柱繞流尾流誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)捩邊界層。他們發(fā)現(xiàn)壁面邊界層轉(zhuǎn)捩區(qū)存在二次渦，并利用象限分析對二次渦的產(chǎn)生過程做出了解釋，預(yù)測了邊界層轉(zhuǎn)捩受二次渦的影響。Ovchinnikov等人[41]利用DNS和LES數(shù)值模擬了近壁圓柱繞流，并考慮了雷諾數(shù)影響。他們在壁面邊界層轉(zhuǎn)捩區(qū)并未發(fā)現(xiàn)二次渦結(jié)構(gòu)，但是觀察到了沿展向分布的高低速條帶結(jié)構(gòu)。他們認(rèn)為這些條帶結(jié)構(gòu)與高湍流度自由來流(free stream turbulence, FST)影響下旁路轉(zhuǎn)捩的Klebanoff模式[42-43]類似，并發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)源于近壁區(qū)的流向渦，其在向下游演化過程中高低速條帶二次失穩(wěn)對湍流邊界層的發(fā)展起關(guān)鍵作用。

Pan等人[16]結(jié)合流場可視化和速度測量顯示了近壁圓柱繞流尾流誘導(dǎo)邊界層轉(zhuǎn)捩。他們在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到了壁面邊界層對圓柱尾流卡門渦街的響應(yīng)，即生成了展向分布的二次渦結(jié)構(gòu)，這與Kyriakides等人[40]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。Pan等人展示了二次渦結(jié)構(gòu)二次失穩(wěn)并最終形成發(fā)卡渦的過程，如圖9所示。圓柱尾渦誘導(dǎo)了主發(fā)卡渦(由二次渦失穩(wěn)演化而來)的生長，主發(fā)卡渦通過渦與壁面的相互作用，誘導(dǎo)了高階發(fā)卡渦的生成，高階發(fā)卡渦再次誘導(dǎo)新的發(fā)卡渦，這樣就生成了發(fā)卡渦包和相關(guān)的條帶結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)捩過程中，發(fā)卡渦、發(fā)卡渦包和條帶結(jié)構(gòu)的動力學(xué)行為和自維持機(jī)制與湍流邊界層一致，最終形成了自維持的湍流邊界層。因此，他們認(rèn)為近壁圓柱繞流尾流誘導(dǎo)邊界層轉(zhuǎn)捩的路徑不同于Klebanoff模式。Mandal和Dey[44]的實(shí)驗(yàn)也得到了相似的結(jié)論。

圖9 近壁圓柱繞流誘導(dǎo)邊界層轉(zhuǎn)捩過程中，二次渦向發(fā)卡渦發(fā)展的過程[16]。二次渦由字母A標(biāo)記，演化為發(fā)卡渦A和B

He等人[45]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了二次渦結(jié)構(gòu)的存在，并計(jì)算了圓柱尾流誘導(dǎo)邊界層失穩(wěn)過程中邊界層內(nèi)擾動能量沿流向方向的變化，其表現(xiàn)為兩個階段的增長：第一階段呈指數(shù)型增長，第二階段增加較慢。兩個增長階段與近壁區(qū)二次渦形成和失穩(wěn)相關(guān)。他們利用動態(tài)模態(tài)分解技術(shù)得到了時(shí)域正交模態(tài)，結(jié)果顯示第一階段擾動能量的增長與圓柱尾渦脫落密切相關(guān)，而第二階段是多頻擾動增長，特別是低頻擾動的增長。He等人[46]考慮間隙比相對較小(G/D=1.0)時(shí)，圓柱尾流與邊界層的相互作用。他們在實(shí)驗(yàn)中也觀察到了二次渦，但是由于圓柱尾流與邊界層的相互作用較強(qiáng)，二次渦的演化呈現(xiàn)不一樣的過程：二次渦要么被夾帶進(jìn)圓柱尾渦，要么被推向壁面。這就導(dǎo)致了一個快速的三維擾動過程，通過這個擾動，流向渦被生成，而這些流向渦是之后導(dǎo)致邊界層轉(zhuǎn)捩的主要結(jié)構(gòu)。

He等人[47]以拉格朗日的角度實(shí)驗(yàn)研究了由圓柱尾流引起的壁面邊界層轉(zhuǎn)捩中的拉格朗日擬序結(jié)構(gòu)(Lagrangian coherent structures, LCS)。LCS由有限時(shí)間Lyapunov指數(shù)(FTLE)揭示[48-51]。近尾跡LCS如圖10(a)所示，圓柱后方的大尺度卡門渦街?jǐn)M序結(jié)構(gòu)在壁面誘導(dǎo)了二次渦的生成，隨后二次渦快速發(fā)展，逐漸抬升偏離壁面。轉(zhuǎn)捩區(qū)和充分發(fā)展的邊界層中發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)分別如圖10(b)和10(c)所示。He等人還從PIV數(shù)據(jù)中提取出LCS的平均對流速度和平均傾角。LCS結(jié)構(gòu)傾角逐漸增加直至轉(zhuǎn)捩中期達(dá)到峰值，這是因?yàn)槎螠u失穩(wěn)，流向方向被拉長，其渦頭會抬升，導(dǎo)致傾角增加。這種抬升過程會持續(xù)到轉(zhuǎn)捩邊界層，形成主發(fā)卡渦。此時(shí)發(fā)卡渦已經(jīng)遠(yuǎn)離壁面。然而，在向下游演化過程中，大尺度發(fā)卡渦包的形成導(dǎo)致了非常長的流向結(jié)構(gòu)。這些非常長的結(jié)構(gòu)的流向傾角通常比單個發(fā)卡渦小，導(dǎo)致充分發(fā)展的湍流邊界層內(nèi)LCS傾角小于轉(zhuǎn)捩邊界層內(nèi)的LCS傾角。

圖10 近壁圓柱繞流尾流引起邊界層轉(zhuǎn)捩中的拉格朗日擬序結(jié)構(gòu)演化[47]。(a)近尾跡的拉格朗日擬序結(jié)構(gòu)時(shí)空演化。矢量箭頭為脈動速度；字母標(biāo)記的結(jié)構(gòu)為二次渦。(b)轉(zhuǎn)捩邊界層中的發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)時(shí)空演化。字母標(biāo)記的是發(fā)卡渦的渦頭。(c) 充分發(fā)展的湍流邊界層中發(fā)卡渦包的時(shí)空演化。字母標(biāo)記的是組成發(fā)卡渦包的發(fā)卡渦渦頭；直線是發(fā)卡渦渦頭的連線

3 總結(jié)與展望

近壁圓柱繞流中尾流與邊界層相互作用的過程是復(fù)雜的多尺度動力學(xué)過程，在不同尺度的湍流結(jié)構(gòu)相互作用過程中，會產(chǎn)生豐富的湍流結(jié)構(gòu)。研究者對此問題已經(jīng)開展了大量的研究，發(fā)現(xiàn)間隙比、邊界層厚度和雷諾數(shù)對圓柱升阻系數(shù)以及渦脫落頻率產(chǎn)生不同程度的影響。圓柱上下尾渦和二次渦的演化受間隙比影響較大：小間隙比時(shí)，圓柱下尾渦誘導(dǎo)邊界層分離形成二次渦，二次渦快速抬升與圓柱上尾渦合并，此過程導(dǎo)致圓柱下尾渦被拉伸破壞形成小尺度結(jié)構(gòu)；大間隙比時(shí)，正常脫落的圓柱尾渦與壁面邊界層相互作用，致使邊界層分離形成二次渦結(jié)構(gòu)，渦軌跡追蹤顯示二次渦向下游演化的過程中未與圓柱尾渦合并。對于圓柱尾流誘導(dǎo)壁面邊界層轉(zhuǎn)捩的原因，研究者們保持不同的觀點(diǎn)：觀點(diǎn)一，圓柱尾渦誘導(dǎo)邊界層內(nèi)產(chǎn)生條帶結(jié)構(gòu)，條帶結(jié)構(gòu)的二次失穩(wěn)導(dǎo)致邊界層轉(zhuǎn)捩；觀點(diǎn)二，二次渦受圓柱尾渦誘導(dǎo)而出現(xiàn)三維失穩(wěn)，演變成主發(fā)卡渦，主發(fā)卡渦誘導(dǎo)新的發(fā)卡渦，形成發(fā)卡渦包，此過程邊界層發(fā)生轉(zhuǎn)捩。

以上綜述表明，盡管研究者們對近壁面圓柱繞流問題進(jìn)行了豐富而深入的研究，但是仍然存在不足，后續(xù)需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容包括以下方面：

(1)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)測量均是對流場中心面進(jìn)行二維PIV拍攝，對相互作用過程中復(fù)雜流場的三維實(shí)驗(yàn)測量研究較少。然而不同尺度湍流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生、發(fā)展、維持和衰減是湍流研究的重點(diǎn)之一，為了刻畫湍流結(jié)構(gòu)的演化需要進(jìn)行精細(xì)的三維實(shí)驗(yàn)測量，獲取三維實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)然也可以通過數(shù)值模擬獲取三維流場數(shù)據(jù)，但是全尺度解析的直接數(shù)值模擬方法需要大量的計(jì)算資源，而使用LES方法可能無法獲取部分重要的小尺度結(jié)構(gòu)，這對近壁圓柱繞流問題的深入研究帶來很多困難。

(2)目前近壁圓柱繞流流動結(jié)構(gòu)的研究對小間隙比情況關(guān)注較少。較小的間隙比會導(dǎo)致圓柱尾流與壁面邊界層的相互作用更加復(fù)雜，刻畫結(jié)構(gòu)演化規(guī)律需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬。

(3)雷諾數(shù)也是此問題重要的參數(shù)，目前對高雷諾數(shù)下近壁圓柱繞流流動結(jié)構(gòu)時(shí)空演化的研究較少，因此高雷諾數(shù)對不同尺度的湍流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生、發(fā)展、維持和衰減產(chǎn)生的影響有待進(jìn)一步研究。

(4)以往研究對近壁圓柱尾流誘導(dǎo)壁面邊界層轉(zhuǎn)捩(即圓柱上游為層流邊界層)的關(guān)注較多，但是湍流邊界層(即圓柱上游為湍流邊界層)受圓柱尾流影響的研究較少，因此湍流邊界層內(nèi)復(fù)雜的壁湍流結(jié)構(gòu)與圓柱尾流的相互作用也是今后值得深入研究的重要課題，尤其需要關(guān)注相互作用過程中不同尺度間動量和能量的輸運(yùn)。

關(guān)注近壁圓柱繞流尾流與壁面邊界層相互作用的動力學(xué)行為，對湍流結(jié)構(gòu)的演化過程進(jìn)行精細(xì)刻畫，定量描述相互作用過程中湍流結(jié)構(gòu)動量和能量在不同尺度上的輸運(yùn)規(guī)律，最終揭示其物理機(jī)理，從而豐富湍流理論基礎(chǔ)并為工程應(yīng)用的嘗試提供支撐。