● 摘要
利用氢气泡流动显示和PIV测量技术研究了粗糙颗粒(也作粗糙元，下文简称为粗糙)对平板边界层旁路转捩过程的影响，包括：1. 粗糙直接诱发的边界层旁路转捩过程；2. 粗糙对圆柱尾迹诱发的边界层旁路转捩的影响。通过分析湍流脉动能量沿流向的演化，确认了在本实验条件下能够直接诱发平板边界层转捩的临界雷诺数在339至443之间。对于亚临界粗糙，粗糙下游条带的性质取决于粗糙上游驻涡-流向涡和下游尾迹区强度的相对大小：较低粗糙下游的条带始终为低速条带；较高粗糙下游的低速条带在流向涡“上举”效应的作用下逐渐转变为高速条带；若进一步增加粗糙高度，粗糙近下游会出现“双峰”状的高速区。随后，这两个高速区会逐渐融合为一个高速条带并在粘性的作用下逐渐衰减。对于超临界粗糙，粗糙的直径d与高度k之比将会影响发卡涡的脱落：d/k较大的粗糙更容易脱落发卡涡，这表现为d/k较大的粗糙在较低的 就开始脱落发卡涡。在粗糙下游，除了发卡涡的涡颈之外还发现了另一对法向涡对。它们的旋向与从粗糙脱落的发卡涡涡颈的旋向相反，其开始出现的高度更低并且在向下游运动的过程中逐渐抬升。粗糙对尾迹诱发的边界层旁路转捩的影响主要体现在对二次涡的形成与失稳过程的影响。较高的粗糙能够充分切割分离剪切层，粗糙下游形成间断的二次涡并经历单独失稳；较低的粗糙未能切割分离剪切层，粗糙下游形成连续的二次涡并经历整体失稳；处在前述两种情况之间的粗糙只能切割分离剪切层的一部分，粗糙下游的二次涡既可能经历单独失稳并形成一排形状相似的小尺度发卡涡，也可能经历整体失稳并演化为尺度较大的发卡涡。