近日，团队博士研究生凌伟豪的研究论文“Bypass transition in favorable-adverse pressure gradient flow over a protruding rough surface under inlet free-stream turbulence”在APS(美国物理学会)旗下权威期刊Physical Review Fluids发表，这是其在Journal of Fluid Mechanics、International Journal of Heat and Fluid Flow等流体动力学和热力学领域代表性期刊发表论文之后，在Physical Review Fluids上发表的第2篇重要论文。该研究面向航空发动机压气机叶片服役中常见的粗糙表面与复杂来流耦合问题，采用高精度直接数值模拟揭示了粗糙面位置、入口自由流湍流强度与频率对边界层失稳演化和扰动增长的影响规律，对高空低雷诺数压气机叶片粗糙表面的流动控制具有重要意义。

层流向湍流的转捩直接决定叶片表面的摩擦阻力、传热水平与气动损失，是航空发动机和高效透平机械设计中的关键基础科学问题。在真实压气机服役过程中，叶片表面会因侵蚀、沉积等因素逐步形成三维不规则粗糙形貌，上游叶栅尾迹又会持续向下游输运自由流湍流，这两类外部因素还会与通道内普遍存在的顺压-逆压梯度乃至局部分离相互耦合，使边界层转捩呈现多尺度、多机制并存的复杂特征。如何回答“粗糙表面位于何处、来流扰动有多强、主导频率如何变化，会怎样共同改变转捩路径与扰动放大机制”这一核心问题，不仅需要同时解析复杂壁面几何和宽频外部扰动，还必须在同一高保真框架下准确捕捉分离剪切层、近壁 lift-up 效应、谐波演化与非线性相互作用之间的耦合关系，因此一直是压气机边界层转捩研究中的难点。

针对上述问题，该研究构建了具有顺压-逆压梯度的平板边界层高保真数值模型，在分离点上游或附近分别布置各向同性突起型三维不规则粗糙面，并设置不同强度、不同基频的入口自由流湍流，进一步结合本征正交分解、动态模态分解、局部稳定性分析与瞬态增长分析，系统揭示了粗糙表面与入口湍流耦合作用下的旁通转捩机制。研究发现：当粗糙面布置在分离点上游时，粗糙面与入口湍流会在下游诱发明显的“谐振器”行为，尤其在强湍流、低基频来流条件下会激发出新的纤长谐振模态；而当粗糙面布置在分离点附近时，系统更表现出“放大器”特征，会显著增强入口扰动及其高次谐波。上述结果表明，粗糙面位置不仅改变了扰动能量在边界层内的传递方式，也重塑了线性稳定性与非线性演化路径，为理解真实压气机叶片粗糙壁面上的转捩过程提供了新的物理图像。

该研究将复杂粗糙表面、压力梯度与自由流湍流等三个关键影响因素纳入直接数值模拟框架之中，深化了对粗糙叶片边界层转捩机理的认识，也为压气机叶栅损失预测、服役表面状态评估以及抗粗糙优化设计提供了理论依据。相关成果有望进一步服务于复杂叶片通道转捩模型发展与流动控制策略优化。后续团队还将围绕全局稳定性和更一般扰动条件下的瞬态增长开展深入研究，以期为高负荷压气机内部复杂流动的机理认知与性能提升提供更系统的理论支撑。

该工作得到国家自然科学基金项目（52176044）资助。

      W. H. Ling, Z. H. Wang, Z. F. Wang, W. L. Huang, and G. Xi. Bypass transition in favorable-adverse pressure gradient flow over a protruding rough surface under inlet free-stream turbulence. Physical Review Fluids, 11: 043905 (2026).