超临界压力下流体的完整湍流过渡的直接数值模拟

本文旨在探讨受热平板边界层在超临界压力下流体的层流到湍流过渡这一尚未探索的现象。考虑两种温度范围：一种亚临界情况，使得流体完全处于液相 regimes；另一种转临界情况，穿越伪临界（Widom）线并发生伪沸腾。采用完全可压缩的直接数值模拟，研究（i）线性与非线性不稳定性，（ii）向湍流的 breakdown，以及（iii）完全发展的湍流边界层。在转临界 régime 中，二维强迫不仅产生围绕 Widom 线的类似 Kelvin-Helmholtz 不稳定性的 billow 状结构，还产生近壁的流动反转区域。这些以横向为主的 billow 在早期非线性阶段占主导地位。当施加高亚谐量的三维强迫时，错位的 $\Lambda$ -vortex 出现得比亚临界情况更为突然。然而，与理想气体和亚临界 régime 下面积为零的压力梯度下观察到的经典 H 型 breakdown 不同，H 型 breakdown 是由由流动反转引起的强剪切层触发的——类似于逆压梯度边界层中观察到的现象。在无斜波强迫的情况下，过渡仅稍微延迟，并遵循自然选择的基本 breakdown（K 型）情景。因此，在转临界 régime 中，可以仅通过单一二维波（强烈放大背景噪声）来触发非线性并较早实现向湍流的过渡。在完全湍流区域，我们展示了可变属性标度准确预测湍流皮肤阻力和热传递系数。