《Turbulent Shear Layers in Supersonic Flow》第二版

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《Turbulent Shear Layers in Supersonic Flow》第二版
超音速流中的湍流剪切层
作者：
Alexander J. Smits
Jean-Paul Dussauge
出版社：Springer
出版时间：2006年

《Turbulent Shear Layers in Supersonic Flow》第二版

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目录
Preface to the Second Edition v
Preface to the First Edition vii
1 Introduction 1
1.1 Preliminary Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Flat Plate Turbulent Boundary Layers . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Propagation of Pressure Fluctuations . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Mixing Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Shock-Turbulence Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6 Shock Wave-Boundary Layer Interaction . . . . . . . . . . . . 21
1.7 Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7.1 Hot Wire Anemometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7.2 Laser-Doppler Velocimetry . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.7.3 Fluctuating Wall Pressure Measurements . . . . . . . . 35
1.7.4 Flow Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2 Equations of Motion 43
2.1 Continuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2 Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5 Compressible Couette Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6 Vorticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Equations for Turbulent Flow 61
3.1 Definition of Averages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1 Turbulent Averages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Equations for the Mean Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.1 Continuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.2 Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.3 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.4 Turbulent Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3 Thin Shear Layer Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.1 Characteristic Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.2 Continuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.3 Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.4 Total Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4 Fundamental Concepts 79
4.1 Kovasznay’s Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2 Velocity Divergence in Shear Flows . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3 Velocity Induced by a Vortex Field . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4 Rapid Distortion Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.1 Linearizing the Equations for the Fluctuations . . . . . 96
4.4.2 Application to Supersonic Flows . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.3 Rapid Distortion Approximations . . . . . . . . . . . . 99
4.4.4 Application to Shock-Free Flows . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.5 Shock Relations for the Turbulent Stresses . . . . . . . 103
4.5 Mach Numbers for Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.6 DNS and LES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.6.1 Homogeneous Decaying Turbulence . . . . . . . . . . . 109
4.6.2 Turbulence Subjected to Constant Shear . . . . . . . . 110
4.6.3 Spectra for Compressible Turbulence . . . . . . . . . . 111
4.6.4 Shear Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.7 Modeling Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5 Morkovin’s hypothesis 119
5.1 Space, Time, and Velocity Scales . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2 Temperature-Velocity Relationships . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.4 Analytical Results for Pm = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.5 Analytical Results for Pm
= 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.6 Reynolds Analogy for Mixing Layers . . . . . . . . . . . . . . 134
6 Mixing Layers 139
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2 Incompressible Mixing Layer Scaling . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3 Compressible Mixing Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.4 Classification of Compressibility Effects . . . . . . . . . . . . . 148
6.4.1 Convective Mach Number . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.4.2 Similarity Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.5 Mean Flow Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.6 Turbulent Shear Stress Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.7 Self-Preservation Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.8 Turbulent Normal Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.9 Space-Time Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.10 Compressibility and Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.11 Final Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7 Boundary Layer Mean-Flow Behavior 179
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.2 Viscous Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.3 Logarithmic Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.3.1 Incompressible Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.3.2 Compressible Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.4 Law-of-the-Wake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.5 Skin-Friction Relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.6 Power Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8 Boundary Layer Turbulence Behavior 217
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.2 Scaling Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8.2.1 Spectral Scaling for Incompressible Flow . . . . . . . . 219
8.2.2 Spectral Scaling for Compressible Flow . . . . . . . . . 224
8.3 Turbulence Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.3.1 Incompressible Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.3.2 Compressible Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.4 Organized Motions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.4.1 Inner Layer Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.4.2 Outer Layer Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.5 Correlations and Ensemble Averages . . . . . . . . . . . . . . 252
8.5.1 Structure Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
8.6 Integral Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.7 Eddy Models of Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
8.7.1 Inner-Outer Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
8.7.2 Summary of Boundary Layer Eddy Structure . . . . . 276
8.8 Final Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
9 Perturbed Boundary Layers 285
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.2 Perturbation Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
9.3 A Step Change in Wall Temperature . . . . . . . . . . . . . . 290
9.4 Adverse Pressure Gradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
9.4.1 Flow over Concavely Curved Walls . . . . . . . . . . . 300
9.4.2 Reflected Wave Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
9.4.3 Taylor-G¨ortler Vortices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
9.5 Favorable Pressure Gradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
9.6 Successive Distortions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
9.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10 Shock Boundary Layer Interactions 319
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
10.2 Compression Corner Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . 321
10.2.1 Skin Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
10.2.2 Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
10.2.3 Upstream Influence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
10.2.4 Shock Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
10.2.5 Turbulence Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
10.2.6 Three-Dimensionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
10.3 Rapid Distortion and Linear Methods . . . . . . . . . . . . . . 338
10.4 Incident Shock Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
10.5 Isentropic Three-Dimensional Flows . . . . . . . . . . . . . . . 346
10.6 Three-Dimensional Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
10.6.1 Flow Field Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
10.6.2 Swept Compression Corner Interactions . . . . . . . . . 354
10.6.3 Sharp-Fin Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
10.6.4 Blunt-Fin Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
10.7 Crossing-Shock Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
10.8 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
References 365
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