● 摘要
本文利用数值模拟与粒子图像测速（PIV）技术研究柱体/平板角区层流边界层的三维定常、非定常分离结构，详细研究了一定流动条件下，柱体模型与平板形成的角区的分离结构从传统分离结构到附着鞍点结构之间演化的规律及其参数影响，并研究两种分离结构演化的机制及其控制原理。论文主要工作体现在以下几点。一、使用数值模拟方法研究柱体平板/角区在定常、非定常情况下，上游奇点结构与宏观马蹄涡结构随来流雷诺数ReD、模型头部几何形状以及边界层雷诺数Reδ（以边界层厚度为特征尺度）等参数影响的演化规律。数值模拟发现：1、ReD与Reδ相同时，模型越尖锐角区上游鞍点结构越趋向于附着，反之趋向分离。2、在给定柱体前缘形状、ReD的情况下，Reδ增加时：a、角区上游鞍点会发生从分离向附着演化，且分离/附着鞍点会向上游移动；主涡涡核位置在流向方向上会远离柱体，在法向方向上会远离平板壁面。b、柱体/平板角区更易从定常向非定常演化，在本文模拟条件下表现为涡合并或涡脱落-合并等现象。同时，本文发现在一定条件下三棱柱/平板角区非定常时也会出现附着鞍点结构。3、在给定柱体前缘形状与Reδ的情况下，随着ReD的增加，角区奇点结构越容易表现为分离结构。二、实验发现，在给定柱体前缘形状、模型雷诺数（ReD）的情况下，随着边界层厚度雷诺数（Reδ）的变化，角区上游三维马蹄涡结构会发生一定演化，且这些演化与数值模拟结果具有相同的趋势。三、基于对角区附着鞍点结构与Lighthill三维分离模式之间关系的分析，本文构造出一个附着/分离参数—AS(Attachment/Separation-saddle-point-parameter)，此参数的符号可以表示角区最上游奇点结构的性态（附着/分离）。此外，本文利用数值模拟的结果进行了验证，结果表明：由于不同参数（ReD、Reδ以及模型前缘钝度）引起的角区鞍点结构演化均满足这一参数规律。最后，作为对附着鞍点结构控制机制的探索研究，本文使用了简单的在柱体上游放置斜置杆来改变角区鞍点结构的性态，结果发现控制前后附着/分离鞍点结构发生了演化，且控制前后均符合预期的AS参数规律。