维持壁湍流的线性机制的因果关系

尽管湍流具有非线性本质，但有证据表明，维持壁湍流的部分能量转移机制可归因于线性过程。不同的场景源于线性稳定性理论，包括指数不稳定性、中性模、由非正规算子引起的瞬态增长，以及由时间平均流变化引起的参数不稳定性等。这些机制各自都有可能导致观察到的湍流结构，它们均根植于理论和概念论证。流动是否遵循其中任何一种或它们的组合仍然难以捉摸。在此，我们评估了负责将能量从流向平均流（$\bf U$）转移到脉动速度（$\bf u'$）的线性机制。我们使用基于干预的因果关系分析。这是通过在低雷诺数下对湍流槽流进行直接数值模拟来实现的，其中从 $\bf U$ 到 $\bf u'$ 的能量转移受到限制，以排除目标线性机制。我们表明，瞬态增长足以维持真实的壁湍流。当指数不稳定性、中性模和平均流的参数不稳定性被抑制时，自维持湍流依然存在。我们进一步表明，瞬态增长的关键组成部分是由基流的展向变化引起的 Orr/推过机制。最后，我们证明，通过安排一系列具有不同时间冻结 $\bf U$ 的模拟，使得仅瞬态增长处于活跃状态，可以如实地表示真实湍流中从 $\bf U$ 到 $\bf u'$ 的能量转移。我们的方法在完全非线性系统中提供了从 $\bf U$ 到 $\bf u'$ 的线性能量注入机制的直接因果关系评估，并简化了自维持壁湍流的概念模型。