通过扁平化基流剖面稳定管流并减阻

近期实验观测（Kuehnen 等，2018）表明，在管流中扁平化湍流流向速度剖面会使湍流失稳，从而流动重新层流化。我们表明类似现象存在于层流管流剖面中，即随着剖面变得更扁平，层流态的非线性稳定性增强。当由足够大的扰动触发时，湍流也观察到显著的减阻。该扁平化由人工体力产生，旨在模拟 Kuehnen 等（2018）实验中的挡板，非线性稳定性由触发转捩所需初始扰动能量大小衡量。为使后者计算更高效，我们考察极小种子对转捩阈值的指示程度。我们首先表明极小种子对基流改变与谱滤波相对稳健。然后我们在雷诺数 Re=2400 至 10000 范围内比较极小种子（无外力）的转捩行为与若干随机初始条件形式，发现极小种子在其演化的 Orr 与斜相之后的能量接近于局域随机扰动的能量。在此意义上，斜相结束时的极小种子可视为典型扰动（此处取局域随机扰动）的良好代理，并因而用作带体力模拟中的初始条件。本研究预测的增强非线性稳定性与减阻是模拟 Kuehnen 等实验的鼓舞人心的第一步，并应激励未来发展以充分利用这一有前景的流动控制方向的益处。