中等雷诺数下的非平衡三维边界层

具有平均流三维性的非平衡壁湍流在地球物理和工程流动中无处不在。在这些条件下，湍流可能经历湍流应力的反直觉衰减，这对建模与控制具有重要意义。然而，当前的湍流理论主要针对统计二维平衡流建立，无法预测雷诺应力幅值的减小。在本工作中，我们提出一个多尺度模型，用以解释非平衡壁面有界湍流在施加三维应变时的响应。该分析通过对摩擦雷诺数高达 1,000 的瞬态三维湍流通道在突加侧向压力梯度下进行直接数值模拟来完成。我们表明，流态与雷诺应力的标度特性与一个包含携带动量的涡的模型一致，这些涡的尺寸和时间尺度与其到壁面的距离成正比。我们进一步证明，雷诺应力的减小遵循由携带动量涡的核心与其下方流动层之间的相对水平位移引起的空间和时间自相似演化。对流动能量学的考察揭示，该机制与较低水平的压力-应变相关相联系，后者最终抑制了雷诺应力的产生。最后，我们评估了最先进的壁建模大涡模拟预测非平衡三维流动的能力。