通过施加展向壁面振荡实现粗糙壁面压差阻力减阻

本研究检验了著名的黏性阻力减阻策略——施加展向壁面振荡——在转捩粗糙与完全粗糙湍流壁面流中降低压差阻力贡献的有效性。为此，我们对置于二维（展向对齐）半圆柱杆上方的湍流进行了一系列直接数值模拟，这些杆沿流向周期性排列且流向间距各异。在固定黏性尺度驱动参数（该参数对光滑壁面减阻为最优）下施加的表面振荡，对所有在匹配粗糙度雷诺数下维持的粗糙壁面情形均产生了显著的减阻效果（>25%）。在转捩粗糙流（即杆间距较大）情形下，总减阻源于黏性阻力与压差阻力的同时下降；而在完全粗糙情形（即杆间距较小）下，总减阻仅与压差阻力降低相关，后者为首次报道。研究发现，所有情形中的压差阻力降低均由粗糙元尾流中涡脱落活动的衰减引起，其响应频率与涡脱落频率同量级。与文献中的推测相反，本研究确认通过施加展向振荡实现压差阻力减阻的机制独立于黏性阻力减阻机制。该机制削弱了粗糙元尾流中的雷诺应力并提高底压，从而解释了以往研究中所观测到的、跨越不同粗糙高度与几何形状的压差阻力减阻现象。