Direct Numerical Simulation of Out-Scale-Actuated Spanwise Wall Oscillation in Turbulent Boundary Layers

通过直接数值模拟研究了湍流边界层的跨向墙面振荡（SWO），激励区域延伸，振荡周期最长可达 T_{sc}^+=600，以控制湍流摩擦速度 u_{\tau 0} 为标度（即 Re_\theta=344 时）。对于低周期（T_{sc}^+<200），阻力降（DR）随 Re_\theta 增大而减小，符合传统内标度控制策略针对近壁湍流的常规结果。相反，对于大周期，DR 随 Re_\theta 增大而增大。例如，在 T_{sc}^+=600 时，DR 从 Re_\theta=713 的 1.3% 增至 Re_\theta=2340 的 7.0%。这一意外增长部分解释为：随着 TBL 发展，u_{\tau 0} 在下游减小，降低局部标度周期 T^+，从而增强对近壁湍流的抑制。有趣的是，即使在约固定 T^+ 的情况下，T^+>350 时的 DR 仍表现出较弱的正 Re_\theta 依赖，这与 Marusic 等人近期实验结果一致（Nat. Commun., vol. 12, 2021, 5805）。我们进一步发展了新的解析关系，将 DR 关联到唇区平均速度的向上偏移。不同于以往模型，该关系避免了对数区拟合，也不依赖 SWO 下卡门常数的不变性，但与 DNS 数据保持良好一致。流动诊断——包括湍流应力、皮肤摩擦分解和能谱——表明，DR 随雷诺数（Re）变化的观察源于周期依赖性对近壁湍流的调制。总体而言，这些发现挑战了阻力降必然随 Re 增大而恶化的传统观念，表明超标度激励反而可以在提升 DR 性能方面提供新物理洞见——为高 Re 控制策略提供了新视角。