逆压梯度下湍流边界层中的对流速度

本文在宽广的雷诺数范围$Re_\tau = 1400 - 4000$内研究了逆压梯度（APG）湍流边界层（TBLs）中湍流结构的对流速度（$U_C$）。该研究基于利用(Drozdz A., Elsner W., Int. J. of Heat and Fluid Flow. 63 (2017) 67-74)中引入的分解流向偏度因子对对流速度的估计，并通过两点相关方法加以验证。结果表明，在APG流动的重叠区内，对流速度剖面（以黏性单位缩放时）在考虑雷诺数范围内直至Clauser-Rota压力梯度参数$\beta \lesssim 19$都重现了零压梯度（ZPG）流动特有的通用对数律，这意味着TBL内区的摩擦速度在APG中不与$U$（如ZPG中那样）成正比，而是与$U_C$成正比。文中提出了解释增大的对流速度对平均流动影响的物理机制。随着APG增大，$U_C$与$U$之差增大，导致更强的扫掠，增强了向壁面的动量传递，并补偿了由近壁较低涡量所产生的较弱平均剪切剖面。该效应是小尺度受大尺度运动幅度调制增强的结果。随着涡密度增大（即随Re增大），该过程变得更加显著。所提模型解释了逆压梯度流动中若干文献观测现象，这些现象迄今缺乏合理解释。