受控尺度间相位与节能型湍流减阻的关系研究

我们研究了 Marusic 等人（Nat. Commun., vol. 12, 2021）所报道的高雷诺数表面摩擦减阻策略中尺度间相互作用的角色。该策略通过在壁面施加相对低频的展向速度流向行波来驱动产生阻力的外层大尺度。这种方法已被证明比直接针对产生阻力的内层小尺度的传统方法更节能，后者通常需要在更高频率下驱动。值得注意的是，观察到在低频率下驱动外层大尺度会导致产生阻力的主要内层小尺度大幅衰减，这表明驱动影响了壁面有界流动中固有的非线性内外层耦合。在本研究中，我们发现通过施加展向壁面振荡实现的减阻增强，总是伴随着内外层尺度间耦合的增强。这种增强的耦合通过对这些三阶链接着的尺度之间的相位关系进行调控而显现，驱动迫使从内层（黏性）到外层（惯性）的整个含能尺度范围更加同相。我们还发现，对于典型湍流边界层，通过调控尺度间相位关系，这种非线性耦合的类似增强随雷诺数增加而发生。这表明该节能型减阻策略在极高雷诺数下效力更佳，因为已知被激励的外层大尺度会更强烈地叠加并调制内层小尺度。因此，利用尺度间相互作用为实现高雷诺数下的节能型减阻提供了一种合理的机制。