过渡混合层中的波动与涡旋结构：一项数值研究

三维波在可压缩混合层中通过流体喷射和扫动形成高应变率层，进而催生λ形涡并拉伸为发丝状涡。欧拉-拉格朗日耦合方法揭示了三维波与涡结构的协同演化机制，证实流向涡生成与斜波模显著增长同步，且高应变率层是涡结构形成的关键触发条件。

　　

摘要

剪切流中的层流-湍流转变过程非常复杂，可能有多种发展路径。在本研究中，我们探讨了基于三维（3-D）波动（Jiang等人，2020年，《流体力学杂志》，第890卷，A11期）在可压缩混合层中的情景，并阐明了3-D波动在产生顺流向涡度中的作用。我们采用了欧拉-拉格朗日耦合方法来追踪流动结构的演变。定性证据表明，在过渡初期，局部化的3-D波动与涡结构协同运动，这与边界层转变中3-D波动的行为一致。为了研究3-D波动周围的局部流动现象以及波动与涡相互作用中的因果关系，我们将有限时间李雅普诺夫指数和应变率张量的分量整合到演化的拉格朗日物质表面中。观察到3-D波动两侧形成了高剪切层，这是由于3-D波动的放大作用引发了流体喷射和扫掠运动。在高压区域附近形成了$\Lambda$形状的涡旋，这些涡旋随后在下游被拉伸成发夹形涡旋。统计结果表明，顺流向涡度的产生与斜向模式的显著增长同时发生，而波动结构的垂直运动则在周围区域引发了高应变率层。此外，条件统计分析强调了高剪切在涡量生成中的重要性。最后，我们提出了一个概念模型，用以描述基于3-D波动、高剪切/应变层以及$\varLambda$涡旋之间关系的相干结构演变过程，从而揭示了它们在过渡混合层中的集体动力学行为。

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