Forscher enthüllen Multiskalen-Eigenschaften der Helizität in wandbegrenzten turbulenten Strömungen

Ein Forschungsteam des Instituts für Mechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat die Multiskalen-Eigenschaften der Helizität in wandbegrenzten turbulenten Strömungen aufgedeckt.

Helizität ist eine reibungsfreie Invariante zweiter Ordnung in dreidimensionaler Turbulenz, die eine Schlüsselrolle in der Evolution turbulenter Systeme spielt. Die Erforschung der grundlegenden Theorie der Helizität ist wichtig, um die Leistung von Flugtriebwerken, Gasturbinen und anderen Schlüsselausrüstungen zu verbessern.

In den letzten Jahrzehnten wurde der Helizitätseffekt hauptsächlich verwendet, um den internen Mechanismus der Turbulenz zu erforschen, aber die statistischen Eigenschaften der Helizität in Turbulenzen, insbesondere anisotroper Turbulenz, wurden selten untersucht.

In dieser Studie untersuchten die Forscher die Helizitätsstatistik in turbulenten Kanalströmungen mit stromweiser Rotation bei moderaten Rotationszahlen und Reynolds-Zahlen, einschließlich ihrer räumlichen und skalierten Verteilung, Anisotropie und skalenübergreifenden Übertragung.

Sie erweiterten die helikale Turbulenztheorie von homogenen und isotropen turbulenten Strömungen auf wandbegrenzte turbulente Strömungen. Sie fanden einen neuen Peak der Helizität innerhalb der wandnahen Regionen, was einer scheinbaren Skalentrennung der Helizitätsverteilung entsprach.

Die Ergebnisse zeigten auch, dass nichtlineare Wechselwirkungen unterschiedlicher Skalen stark genug waren, um die Breitband-Helizitätsspektren aufrechtzuerhalten. Numerische Konsequenzen deuteten darauf hin, dass die Helizitätskaskade in wandbegrenzten turbulenten Strömungen durch den Wirbeldehnungsprozess dominiert wurde.

Diese Erkenntnisse werden eine notwendige theoretische Grundlage für komplexere Forschungen zur Theorie und Anwendungstechnologie der rotierenden Wandturbulenz liefern.

Die Studie wurde veröffentlicht in Zeitschrift für Strömungsmechanik.