团队博士生凌伟豪一作的论文在流体力学国际顶级期刊Journal of Fluid Mechanics发表
- 发布时间：
- 2026-09-22
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- 团队博士生凌伟豪一作的论文在流体力学国际顶级期刊Journal of Fluid Mechanics发表
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近日，研究团队博士生凌伟豪作为一作的研究成果“Disturbance growth analysis of pressure gradient transition flow with three-dimensional rough surfaces” 发表于流体力学领域国际权威期刊 Journal of Fluid Mechanics（简称JFM）。研究揭示了三维不规则粗糙面与压力梯度共同作用下的扰动增长机制，阐明了表面形貌对流动失稳和受迫响应的差异化影响。
边界层由层流向湍流转变，直接关系到航空发动机、燃气轮机等动力装备的气动损失与传热性能。叶片服役过程中形成的侵蚀、沉积等粗糙形貌，与沿程变化的压力梯度相互作用，使转捩预测与控制面临更复杂的挑战。真实粗糙面具有三维不规则性，仅凭粗糙度大小难以解释其流动效应。厘清微小扰动如何从平均流中获取能量、逐步放大并参与转捩，是建立具有物理依据的预测与调控方法的重要基础。
图1 三维不规则粗糙面与顺压—逆压梯度耦合的研究模型
针对这一问题，研究团队结合高精度直接数值模拟、全局稳定性分析、局部瞬态增长分析及预解算子（resolvent）分析，系统考察了三类具有不同方向性特征的负偏度粗糙面，分别从失稳模态、初始扰动放大和持续受迫响应三个层面，揭示复杂表面形貌对转捩演化的作用机制。研究识别了粗糙面下游逐步形成的临界失稳模态。在所考察工况中，各向同性粗糙面最易使流动接近全局失稳阈值。随着雷诺数增大，主导模态由出口附近的对流型结构，逐渐转变为集中于粗糙面下游三维剪切层的临界模态，其主要能量来源也由壁法向剪切转向流向剪切。不同粗糙面并未改变这一临界模态的基本特征，而是改变了流动向其演化的进程。
图2 不同粗糙面及雷诺数下的全局主导模态。ER0、ER1、ER2分别对应流向调制、各向同性和展向调制粗糙面
该研究在团队前期粗糙面形貌与转捩规律研究的基础上，将认识进一步推进到扰动选择、能量传递与失稳演化的动力学层面，深化了对复杂表面与压力梯度耦合作用的理解。相关成果为发展面向真实服役表面的转捩预测方法、探索具有方向性的表面设计及流动控制策略提供了理论依据，有助于服务航空发动机、燃气轮机等高端动力装备的气动性能优化与能效提升。
该研究得到国家自然科学基金项目（编号：52176044）的资助。