由交叉波浪形壁面形貌驱动的边界层中的 Langmuir 型涡旋

我们研究了一种操控壁面有界流的机制，其中壁面形貌的波状起伏驱动产生定制化的展向涡旋。未受扰动剪切流的背景涡量与由壁面形貌强制的流线起伏之间的共振相互作用，将平均流的展向涡量略微旋转至流向方向，从而产生以规则流向滚轴形式出现的旋流运动。该过程是运动学的，且与 Craik（1970）提出的 Langmuir 环流（LC）的“直接驱动”CL1 机制本质相同。边界层通过选取合适的主流剖面来建模。在两个渐近 regime 下找到了交叉平面流函数的简单、易积分表达式：早期时刻本质无粘不稳定的共振起始，以及完全发展的稳态粘性流。获得了起伏边界上流动的一阶线性解，在幂律剖面的特例中完全解析。这些解使我们能快速描绘环流对边界设计参数的响应。本研究辅以直接数值模拟，验证了在无滑移边界的层流中边界诱导 Langmuir 涡旋的显现。模拟与理论显示出良好的定性一致。在定量上，比较依赖于微扰理论中采用的位移长度闭合参数。尽管壁面驱动的 LC 在湍流中似乎变得不稳定，我们提出该机制可促进边界层中的旋流运动，这一流动特征在某些情形下被报道可降低阻力。