湍流边界层中速度涨落的附着壁面结构

壁面湍流是自然界和工程应用中普遍存在的现象，但由于其复杂性，预测此类湍流十分困难。高雷诺数湍流（包括大多数实际流动）因其尺度范围广泛而尤为复杂。尽管 Townsend 提出的附着涡假设可用于预测湍流强度，并作为湍流渐近行为的统一理论，但附着结构的存在尚未得到证实。在此，我们通过对中等雷诺数边界层（$Re_\tau \approx 1000$）进行直接数值模拟，通过识别速度涨落（$u_i$）的附着壁面结构，展示了湍流强度的对数区。附着壁面结构相对于其高度（$l_y$）具有自相似性，特别是流向分量（$u$）的种群密度与 $l_y$ 呈反比缩放，这令人联想到附着涡的层级结构。包含在平行壁面分量（$u$ 和 $w$）中的湍流强度表现出对数行为。$u$ 的高附着结构（$l_y^+ > 100$）由具有长流向范围的多个均匀动量区（UMZs）组成，而横向分量（$v$ 和 $w$）的高附着结构相对较短且宽度相当，这表明存在与多个 UMZs 相关联的高涡旋结构。在流向湍流强度中观察到的近壁峰值大小随 $l_y$ 增加而增大，反映了附着 $u$ 结构的嵌套层级。这些发现表明，所识别的结构是 Townsend 附着涡假设的首要候选者，并作为理解高雷诺数边界层多尺度现象的基石。