预转捩库埃特流中自由流湍流诱导的滚转/条带结构不稳定性

尽管滚转/条带结构在预转捩壁面剪切流中普遍存在，但如果将其理想化为层流，该结构是线性稳定的。由于缺乏不稳定性，滚转/条带结构的大瞬态增长被用来解释其出现是自由流湍流（FST）中偶然出现的、配置为最优激发该结构的扰动所致。然而，存在另一种解释，即 FST 与滚转/条带结构相互作用并使其失稳。统计状态动力学（SSD）提供了分析此类不稳定性的方法，这类不稳定性源于湍流的相干分量与非相干分量之间的相互作用。随机结构稳定性理论（S3T）以二阶闭合的形式实现 SSD，用于分析由湍流的相干流向不变分量与非相干 FST 分量相互作用产生的 SSD 模式。最不稳定的 S3T 模式在控制 FST 强度的参数达到临界值时失稳，并通过该参数的分岔产生有限幅值的滚转/条带结构。尽管此分岔仅在 SSD 中有解析表达式，但它在动力学相似的准线性系统（称为受限非线性（RNL）系统）和 DNS 中均有密切反映。S3T 还预测在更高的湍流激发参数值处存在第二次分岔。研究表明，这第二次分岔导致向湍流转捩。从有限幅值滚转/条带平衡态的分岔提供了一条通过 S3T 滚转/条带不稳定性直接进入湍流状态的途径。