水平运动、部分浸没、穿透自由表面的垂直壁面上的湍流边界层

本文研究了由垂直穿透表面平板产生的边界层剪切流中湍流与自由表面之间的复杂相互作用，包括空气卷吸过程。我们构建了一个实验室尺度的装置，利用一条在两个垂直滚筒间循环运动的穿透表面不锈钢带，其中滚筒之间的一段皮带作为水平运动的平壁。该皮带既可作为瞬间启动的平板以复现边界层流动，也可在平行于皮带放置的静止平板存在下以稳态运行，以产生带有自由表面的 Couette 流动。在两项实验中均使用动态激光诱导荧光系统测量表面轮廓，并在瞬间启动皮带实验中通过水下立体白光视频观察空气卷吸事件和气泡运动。研究发现，RMS 表面高度起伏 $\eta$ 在流动边界附近达到峰值，并随皮带速度近似线性增加。在 Couette 流动实验中，$\partial\eta/\partial t$ 的频谱在无量纲频率 $fH/U\approx 0.7$ 处出现主峰。在瞬间启动皮带实验中，表面起伏似乎受到边界层内次表面湍流的强烈影响，而远离皮带时波纹则自由传播。此外，还观察到了一些空气卷吸机制，并与 Brocchini 和 Pregrine (J. Fluid Mech., 499, 225-254, 2001) 对初始卷吸条件的预测进行了比较。