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1、VO1．214筘2l卷第4期力學進展1991年11月25日ADVANCESINMECHANICsNOV．25，1991波渦相互作用研究的某些進展(I)吳介之rf1航空研究院，北京(郵政編碼lo00l2)提要波渦相互作用是當代非定常非線性流體力學的一個重要領(lǐng)域．本文評述了迄今人們對微擾縱波(聲波，不包括激波)和橫波(渦波)與層狀和軸狀渦相互作用的研究進展，包括渦聲理論、銳緣及光滑表面渦層分離以及自由渦層的2維感受性和非定常Kutta條件，波產(chǎn)生時均渦流的非線性Euler整流和廣義Lagrange整流，波渦共振等課題的進展．還介紹了用非定常激發(fā)實施渦控制這_重要應(yīng)用領(lǐng)域的一
2、些新進展．關(guān)麓詞渦旋運動}聲學}波渦相互作用，非定常流1引奢波和渦是當代流體力學的兩太重要課題．它們不是截然分開的；被中可以有渦，渦中也可以有波}波與渦之間又存在非常有趣的非定常非線性相互作用．這使波和渦有可能互相調(diào)控，因而有很多重要應(yīng)用．例如噪聲抑制，邊界層轉(zhuǎn)捩控制，流體分離控制等等．一個特別重要的可能應(yīng)用是人們正在探索的非定常脫體渦航空流型．航空_流型的發(fā)展，從第一代附著流型，到第二代定常脫體渦流型，始終是靠翼面在空氣中運動形成的定常渦(邊界層中的層狀渦或自由渦卷成的軸狀渦)提供升力，但還沒有充分挖掘渦升力的潛力．近年來，某些動物飛行中特高升力的發(fā)現(xiàn)，動態(tài)失速下瞬時
3、超升力的觀察，氣動聲學的發(fā)展和非定常剪切流控制的研究等，都從不同的角度啟示人們，航空流型的下一代發(fā)展很可能是利用非定常效應(yīng)增強升力的脫體渦流型(吳介之1984~Stone＆McKb~zie1984~吳健民1985)．特別是在基本流動定常的條件下，小振幅的弱非定常激發(fā)很可能通過波與渦的共振及其整流(streaming)而造成過失速迎角下的持續(xù)高升力(Wu，etal1987)．有關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究正在國內(nèi)外競相開展，并已取得了一些引人注意的初步成果．在美籍華裔學者吳健民倡議下，中國空氣力學研究會于1987年l2月召開了首次非定常效應(yīng)與渦控制研討會，會上的發(fā)言充分表明國
4、內(nèi)的有關(guān)研究正在迅速逼進世界前沿(參見“國際航空”雜志1988年3月號的報道)．流體中的被是非定常擾動的產(chǎn)物．一個流體元在外界擾動下有兩種基本的反應(yīng)；對法向力的反應(yīng)是壓縮與膨脹，對切向力的反應(yīng)是通過粘性搓出渦量．相應(yīng)地，非定常法向擾動產(chǎn)-430·生縱波，印熟知的聲波和教被J而非定常切向擾動則通過粘性產(chǎn)生橫渡，這實際上是渦量波，有時稱渦波．剪切層穩(wěn)定性問題中的Tollmien．-Schlichting波和Kelvin波都是渦渡．聲波與渦波的傳播速度和影響范圍很不相同．另一方面，渦的物理概念雖然很清晰，但還缺乏一個公認的定義．Saffr~an與Backer(1979)把渦定
5、義為以固定或無旋流為邊界的有旋流區(qū)，這個定義嚴格說來只適用于理想流體．Lugt(1983)把渦定義為繞公共中心旋轉(zhuǎn)的流動，這個定義更不可取，因為它不具有伽利略不變性，而是把渦誘導的某些無旋流(如點渦周圍的流動)也算作了渦．筆者認為，把渦定義為渦量高度集聚的流動區(qū)域較為妥當”．這是一個在任意平移變換下不變的定義，與Saffman的定義相容，Batchelor(1964)曾這樣定義集中渦旋的渦核．根據(jù)這個定義或者Saffman的定義，渦可分為層狀渦(Jh界層或自由剪切層)和軸狀渦，后者又可依其渦核長度與直徑之比分為盤狀渦(如臺風)和柱狀渦(如龍卷)．一般地講，波渦相互作用覆
6、蓋了相當廣泛的領(lǐng)域，甚至包括激波一邊界層干擾，即具有同量級強度的渡與渦相遇，情形變得報復雜．本文主要限予M《l柏低速渦流與微擾渡相互作甩，而且不考慮大氣過程，這時的被渦相互作用，主要是聲波與層狀或柱狀渦的相互作喟(簡稱聲渦相互作用)，以及渦波與這兩種主渦的相互作用(簡稱渦渦相互作用)．Lighthil1(1978a)在談到聲波與流體運動的相互作用時指出，這一領(lǐng)域有3類問題：④流體運動發(fā)聲灼理論，其中流動起主導作用，聲為副產(chǎn)品，②聲在流動中的傳播性質(zhì)，其中流動與聲同量級地相互作用，③聲學整流，其中聲起主導作用，流動只是副產(chǎn)品．他還指出，問題①與@頗有對稱性，例如不僅射流會
7、發(fā)聲，聲電會產(chǎn)生射流(又見Lighthi111978b)．現(xiàn)在，我們一方面把聲波擴展到包括渦波，另一方面把流體運動限定為層狀或柱狀渦運動．Lighthi11的上述劃分基本上同樣適用．可以說，不僅渦會發(fā)生波，而且波也會產(chǎn)生渦．前者包含渦能向波能的轉(zhuǎn)化后者是波能向渦能的轉(zhuǎn)化——這是一種分散能量自動集聚的轉(zhuǎn)化，因而是非常有用的轉(zhuǎn)化．本述評的內(nèi)容主要對應(yīng)于Lighthil1所說的問題①和③．．2渦聲在波渦相互作用領(lǐng)域中聲渦相互作用的理論和實驗發(fā)展得較早，也有些稼成熟的結(jié)果．本節(jié)概述渦發(fā)射和吸收聲波的理論進展．更廣泛的有關(guān)述評見Mfiller與Ob
