Stokes层的转捩机理及预测

作者简介

孔玮，1986年12月出生于安徽省潜山市。2004年本科就读于天津科技大学，专业为环境工程。2008年至2014年就读于天津大学攻读硕士及博士研究生，专业为流体力学。研究方向为理论流体力学的分支——流动稳定性及转捩。于2016年9月份正式入职并加入淮阴工学院建筑工程学院，主要从事流体力学、土木工程材料等课程教学。主持国家自然科学基金项目一项，现已结题；参与包括国家自然科学基金重点项目—以数值模拟为基础的超声速及高超声速边界层转捩及湍流研究和国家科技部“973”项目—飞行器气动力学与光学设计中的关键湍流问题等多项国家级重点项目。主要科研成果：（1）论文：发表《Influence of three-dimensional wall roughness on the transition of a finite Stokes layer》、《Global instability of Stokes layer for whole wave numbers》等国内外学术论文10篇，其中SCI、EI检索5篇；（2）专利：申请《一种伯努利实验设备用自动清洗装置》、《一种双调节式雷诺实验装置及实验方法》等发明及实用新型专利4项，其中已授权发明专利1项。（3）科研项目：主持国家自然科学基金项目一项，现已结题。

内容简介

湍流问题是一个古老而尚未解决的问题。目前，对于定常流动，如槽道流、不可压缩及可压缩边界层中的湍流的特性，人们已经有了一定的认识。除了定常流动外，自然界中还存在着许多非定常流动：一类非定常流动发生在距离地面1~2 km处的大气边界层，其对于大气环境和气候的研究具有十分重要的意义；另一类非定常流动存在于水体，在靠近底部壁面的附近形成周期性振荡的边界层，如潮汐作用下的海岸和波浪作用下的河底等。存在于水体中的非定常流动就是本书关心的问题。 振荡边界层与泥沙启动、海底沙纹床的形成及盐分的运输等现象有着密切的联系，因此，该流动在海岸及环境工程领域有着重要应用。不仅如此，目前振荡边界层的研究还广泛应用于生物学和医学领域。早在1850年，Stokes G.G.首次对振荡边界层进行了研究，给出了精确解，因此，人们习惯称这类边界层为Stokes层。早在1976年，Stephen H. Davis 在当年的《流体力学年鉴》中对一系列非定常流动问题进行了综述，其中的一个重要部分就是有关Stokes层的论述，但当时关于Stokes层的研究成果仅处于初级阶段，因此该年鉴仅做了简单描述。 Stokes层的转捩研究也经历了比较长的时间，作者在第1章对这个过程中取得的一些成果进行了综述。另外，作者曾长期致力于Stokes层的研究，已取得了一些成果，包括发表了数篇与本书内容相关的论文，这些论文成为本书的基础，将在第2章到第6章中体现，较为系统地展示了作者关于Stokes层的稳定性和湍流问题的研究。部分内容涉及全局稳定性问题，作者在早些时间针对展向周期变化的槽道流的全局稳定性进行了研究，为Stokes层的相关内容研究打下了一定基础，因此，此部分内容被编入本书。 本书在撰写过程中，参考、借鉴了大量著作与部分学者的理论研究成果，在此一一表示感谢。由于作者精力有限，加之行文仓促，书中难免存在疏漏与不足之处，望各位专家学者与广大读者批评指正，以使本书更加完善。 本书围绕Stokes层的转捩问题开展系统探讨。首先，以线性稳定性理论为基础，研究Stokes层中小扰动的非线性演化规律，分析中性曲线与扰动最大增长率在转捩过程中的变化，揭示Stokes层转捩的关键机理；其次，针对壁面的表面粗糙度作用下的Stokes层转捩问题进行数值模拟计算，研究影响表面粗糙度的不同几何参数对转捩的影响规律；分别从二维粗糙度和三为粗糙度进行探讨，并从周期平均脉动能量的角度给出Stokes层在不同参数平面内的“转捩线”；最后，讨论过渡雷诺数下Stokes层的间歇湍流特性。研究成果为壁面的表面粗糙度引起的Stokes层转捩预测问题提供重要科学依据。