在超音速湍流边界层中，基于条件平均的壁面附着雷诺应力结构上的皮肤摩擦分解

《Journal of Fluid Mechanics》：Conditionally averaged skin-friction decomposition on the wall-attached Reynolds stress structure in supersonic turbulent boundary layers

超音速湍流边界层中，壁面雷诺应力结构（RSS）的动量传输机制通过DNS与条件平均分解研究，揭示垂直运动主导摩擦生成，横向运动减弱摩擦，且不同尺度RSS作用相反，结构演变阶段影响显著。

　　

摘要

在超音速湍流边界层中，特别是附着在壁面上的雷诺应力结构（RSS），与皮肤摩擦阻力的产生之间存在显著的相关性。然而，顺流运动、垂直于壁面的运动以及RSS的演变过程之间的内在耦合，使得控制它们尺度依赖性相互作用的精确机制变得模糊不清。本研究通过直接数值模拟，探讨了超音速湍流边界层中高/低皮肤摩擦力的产生机制。采用了一种结合时间分辨聚类方法和条件平均皮肤摩擦分解的新方法，重点研究不同垂直于壁面尺度（$l_y^+$）的附着壁面RSS（Q2喷射和Q4扫掠）。该方法将皮肤摩擦系数分解为来自顺流（$C_{\kern-2.5pt f}^{M_x}$）、垂直于壁面（$C_{\kern-2.5pt f}^{M_y}$）和横向（$C_{\kern-2.5pt f}^{M_z}$）运动的贡献。结果表明，$C_{\kern-2.5pt f}^{M_y}$）在摩擦力的产生中起主导作用，而$C_{\kern-2.5pt f}^{M_z}$则减弱了摩擦力。研究揭示了显著的尺度依赖性：$C_{\kern-2.5pt f}^{M_x}$对于大尺度结构具有抑制摩擦的作用，而在小尺度上则相反。这三个术语反映了RSS通过动量传输对皮肤摩擦的影响，这具体体现在对流加速中。非稳态项（$C_{\kern-2.5pt f}^U$）部分抵消了与结构演变阶段相关的$C_{\kern-2.5pt f}^{M_x}$：在小尺度上以增长为主，在大尺度上以衰减为主。这些发现阐明了控制皮肤摩擦的尺度依赖性动量传输机制，为高速流动中的减阻策略提供了见解。

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