摘要：层流向湍流转捩的预测与控制一直是研究的前沿热点问题之一,其中感受性阶段是转捩过程中的初始阶段,它决定着湍流产生或形成的物理过程.但是有关三维边界层内感受性问题的数值和理论研究都比较少;实际工程问题中大部分转捩过程都是发生在三维边界层流中,所以研究三维边界层中的感受性问题显得尤为重要.本文以典型的后掠角45?无限长平板为例,数值研究了在三维壁面局部粗糙作用下的三维边界层感受性问题,探讨了三维边界层感受性问题与三维壁面局部粗糙长、宽和高之间的关系;然后,考虑在后掠平板上设计不同的三维壁面局部粗糙的分布状态、几何形状、距离后掠平板前缘的位置以及流向和展向设计多个三维壁面局部粗糙对三维边界层感受性问题有何影响;最后,讨论两两三维壁面局部粗糙中心点之间的距离以及后掠角的改变对三维边界层感受性的物理过程将会发生何种影响等.这一问题的深入研究将为三维边界层流中层流向湍流转捩过程的认识和理解提供理论依据.

摘要：目前理论、实验以及数值模拟主要研究自由来流中的小扰动与壁面局部粗糙相互作用激发边界层感受性问题.但是,针对自由来流湍流与壁面局部吹吸相互作用诱导边界层感受性的相关报道甚少.本文采用直接数值模拟和快速傅里叶变换的方法,数值研究了二维平板壁面具有局部吹吸的边界层感受性问题.结果发现,在二维边界层内能找到一组被激发产生的Tollmien-Schlichting(T-S)波波包的包络序列以及从波包中能够分离出一组稳定的、中性的和不稳定的T-S波,证明了二维边界层内感受性现象的存在性.经数值计算获得了T-S波波包传播的群速度;并建立了自由来流湍流强度、壁面局部吹吸强度和长度与二维边界层感受性之间的关系,获得了与Dietz感受性实验相类似的结论.另外,还发现在自由来流湍流与壁面局部吹、吸相互作用下能诱导二维边界层内产生相位相反的T-S波.依据这一理论机理来优化设计局部吹吸装置,不但能促使层流向湍流转捩的提前,也可以延迟转捩过程的发生,达到控制湍流运动的目的.

摘要：边界层感受性是层流向湍流转捩的初始阶段,是实现边界层转捩预测和控制的关键环节.研究结果表明,边界层感受性问题不仅受到不同自由来流扰动条件,壁面局部粗糙和局部吹吸的几何大小、形状和位置等参数的影响之外,还受到一个重要参数压力梯度的作用.因此,本文数值研究在自由来流湍流分别与壁面局部吹入和吸出相互作用下压力梯度在激发边界层感受性过程起什么样的关键性作用,从而揭示不同压力梯度对壁面局部吹入或吸出边界层内被激发出T-S波波包以及T-S波波包向前传播群速度的影响;分别讨论逆压力梯度、顺压力梯度对边界层内被激发出的T-S波模态是起到加速增长的作用还是遏制增长的作用;详细分析不同压力梯度对边界层内被激发出的T-S波的幅值、增长率、波长或波数、相速度以及特征形状函数的影响等.这一问题的深入研究将为工程实践中各种叶片流体机械的设计和性能改善提供理论参考.

摘要：为求解三维水动力模型的高精度数值计算,设计了一种在曲线坐标系下求解的新方法.对ξ,η和ζ共3个方向的空间导数分别采用高精度的紧致有限差分以及非线性项的迎风紧致有限差分格式,时间积分则采用四阶修正Runge-Kutta显式格式.为了验证该算法求解曲线坐标系下三维水动力模型的正确性,选取与De Vriend的180°弯道水槽试验相同的物理参数进行数值试验,计算出水位、流速分布等,并将计算结果与De Vriend的试验值以及先前采用SIMPLEC法获得的数值结果进行了对比分析.结果发现:文中创建的高精度算法获得的数值解比SIMPLEC法计算的数值结果更符合试验值,通过算法定量计算得到的平均速度值与试验测量值之间产生的最大相对误差约为3%.说明构建的高精度紧致有限差分算法来数值求解三维水动力问题是可行的、合理的,为天然河道、明渠以及湖泊等水动力计算提供参考依据.