湍流边界层的瞬态演变，挪威科技大学做了研究并发在JFM

来自挪威科技大学能源与过程工程系的科学家们在一项研究中发现，湍流边界层（TBL）在受到来流湍流（FST）影响时，其瞬态结构会发生显著变化。研究成果发表在《Journal of Fluid Mechanics》上，解决了在复杂流动条件下如何准确识别湍流边界层与来流湍流界面的科学问题，为理解湍流边界层的结构演变提供了新的视角。

图：案例 C 的一个瞬态速度场示例，展示了如何评估三个不同区域的涡量分布以识别界面

在实际应用中，湍流边界层通常会受到来流湍流的影响，例如在水力发电站下游的开放通道中，边界层会受到上游流动扰动的影响。此前的研究表明，来流湍流会增加零压力梯度湍流边界层的摩擦速度，同时抑制平均速度剖面的尾迹区域，但对对数律区域的影响较小。然而，这些研究大多集中在统计特性上，对于湍流边界层在瞬态条件下的结构变化，尤其是湍流边界层与来流湍流之间的界面特性，仍缺乏深入的理解。

图：实验示意图

图：(a) 所有测试案例的内归一化平均流向速度剖面；(b) 在 X/M = 55 处测量的活动案例 A、B 和 C 的内归一化湍流动能波动剖面，以及 REF 案例；(c) 在不同流向位置测量的案例 B 的内归一化湍流动能波动

研究者们通过平面粒子图像测速（PIV）技术，在四个不同的流向位置对湍流边界层进行了测量，测试了三种不同的来流湍流强度。实验中使用了一个主动湍流生成网格来产生可控的来流湍流，并通过概率密度函数（PDF）识别湍流边界层与来流湍流之间的界面。研究中提出了两种方法来定义界面：一种基于恒定速度等值线，另一种基于恒定涡量大小等值线。这两种方法分别用于突出速度场中的动量事件和流动的涡旋特征。

研究发现，在来流湍流存在时，湍流边界层与来流湍流之间的界面会向壁面靠近，且界面位置的波动更为剧烈。例如，对于最强的来流湍流情况（FST强度为10.9%），界面位置的标准差达到40.9 mm，表明界面的显著波动。此外，湍流边界层中的均匀动量区（UMZs）数量减少，且更靠近壁面的UMZs被压缩。随着流向距离的增加，来流湍流强度逐渐衰减，湍流边界层的特性逐渐恢复到未受扰动的状态，界面位置远离壁面，涡量和湍流波动恢复到自然状态，UMZs数量增加。

图：(a) 案例 C 在 X/M = 55 处具有连续 KED 等值线的 PIV 场的百分比；(b, c) 案例 C 在 X/M = 55 处的瞬态流向速度和跨流向涡量场，分别显示了使用涡量方法（红色线）和 KED 方法（蓝色线）识别的界面；(d) 局部来流区域和界面之间区域的涡量分布

这项研究为理解湍流边界层在复杂流动条件下的行为提供了新的理论基础，具有广泛的应用前景。在工业领域，这一发现可以帮助优化流体流动的设计，减少湍流对边界层的影响，从而提高流动效率。在环境科学中，研究结果可以用于更好地模拟和预测河流、海洋等自然水体中的湍流边界层行为。此外，该研究还为未来在更高雷诺数条件下的直接数值模拟（DNS）研究提供了实验支持，有助于进一步探索湍流边界层的复杂特性。