使用无纹理模拟解析纹理表面上的湍流与阻力：滑移/无滑移纹理情形

我们研究表面纹理对上方湍流的影响，纹理由交替的滑移/无滑移图案组成，这是超疏水表面的常见模型，也是一种特别简单的纹理形式。对于纹理尺寸$L^+ \gtrsim 25$，纹理有效地对上方背景湍流施加了均匀滑移边界条件，但这并非其唯一效果。有效条件仅对背景湍流产生原点偏移，而背景湍流在其他方面仍类似于光滑壁面。然而，对于实际纹理，当$L^+ \gtrsim 25$时，流动逐渐偏离这种类似光滑壁面的状态，导致额外的剪切雷诺应力和增加的阻力，这种非均匀方式无法由有效边界条件再现。我们关注这一现象的潜在物理机制。我们认为它是由纹理相干流（直接由表面拓扑诱导）与背景湍流之间的非线性相互作用引起的，因为这种相互作用直接作用于背景湍流并改变它，不是在施加有效条件的边界处，而是在流动内部。这种相互作用作为背景湍流控制方程的强迫项，并采取背景湍流与纹理相干流之间的交叉平流项的形式。我们通过去除纹理并在Navier-Stokes方程中添加额外强迫项以及有效边界条件的模拟来展示这一点。该强迫项捕捉了非线性相互作用对背景湍流的影响，而无需解析纹理。当强迫项推导时考虑了背景湍流对纹理相干流的幅度调制，它能够捕捉到$L^+ \approx 70$--$100$范围内的流动变化，包括粗糙度函数以及流动统计和结构的变化。