一种由湍流边界层平均剖面确定壁面剪切应力的方法

湍流边界层（TBL）中壁面剪切应力的直接测量具有挑战性，因此需要从平均剖面测量间接确定。大多数流行方法假设平均流向速度在内层满足对数律，或满足带有多个调谐常数的整层复合速度剖面，二者均需来自内层的可靠数据。粗糙度和压力梯度的存在带来额外复杂性，多数现有方法失效或需重大修正。本文提出一种由测量的平均剖面确定零压力梯度 TBL 壁面剪切应力的方法，无需近壁数据。该方法基于 Kumar 和 Mahesh [Phys. Rev. Fluids 6, 024603 (2021)] 的应力模型，他们为零压力梯度 TBL 的平均应力和法向速度建立了精确模型。所提方法需要在外层（ preferably 在 TBL 的 $20$ 至 $50 \%$ 之间）单点测量平均流向速度和平均剪切应力，以及边界层厚度和形状因子的估计。该方法无需修正即可处理壁面粗糙度，并对光滑与粗糙壁零压力梯度 TBL 在一系列雷诺数下预测摩擦速度误差在 $3 \%$ 以内。为纳入压力梯度效应，重访 Kumar 和 Mahesh [Phys. Rev. Fluids 6, 024603 (2021)] 的工作，推导了压力梯度 TBL 中平均应力与法向速度的新模型，并由此建立由剖面数据获取壁面剪切应力的方法。总体而言，所提方法对多种压力梯度 TBL 均稳健且精确。