[论文解读] A Cautionary Note on the Zagarola and Smits Similarity Parameter for the Turbulent Boundary Layer

David Weyburne|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2015

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文批判性地审视了湍流边界层中的Zagarola和Smits相似性参数，表明缺陷剖面归一化方法的广泛应用通常无法满足真正相似性的全部标准。研究发现，大多数声称通过此方法实现相似性的数据集实际上并未完全符合相似性要求，从而削弱了文献中此类断言的有效性。

ABSTRACT

Zagarola and Smits developed an empirical velocity parameter for scaling the outer region of the turbulent boundary layer velocity profile that has been widely applied to experimental datasets. Plots of the scaled defect profiles indicate that most datasets display similar-like behavior using the Zagarola and Smits scaling parameter. In the work herein, it is shown that the common practice of finding similarity behavior using the defect profile is often incomplete in the sense that not all of the criteria for similarity have been checked for compliance. When full compliance is checked, it is found that most of the datasets which display defect similarity do not satisfy all the criteria required for similarity. The nature of this contradiction and noncompliance is described in detail. It is shown that the original datasets used by Zagarola and Smits display this flawed similarity behavior. Hence, a careful reassessment of any claims in the literature is required for those groups that attempted to use the defect profile and the Zagarola and Smits type of velocity scaling parameter to assert similarity of the velocity profile.

研究动机与目标

• 评估在湍流边界层研究中使用Zagarola和Smits归一化参数所作相似性断言的有效性。
• 识别现有文献中依赖缺陷剖面分析时对相似性准则的不完整应用。
• 证明即使原始的Zagarola和Smits数据集在严格检验下也未完全满足真正相似性的条件。
• 提醒研究人员避免将缺陷剖面归一化过度解读为湍流边界层流动中相似性的决定性证据。

提出的方法

• 系统评估湍流边界层速度剖面中相似性所需的标准。
• 应用相似性理论，评估不同数据集的缺陷剖面是否真正满足相似性条件。
• 通过原始和派生数据集，将Zagarola和Smits归一化参数与完整的相似性要求进行对比。
• 使用缺陷剖面分析检验相似性，随后通过理论相似性准则进行严格验证。
• 分析原始Zagarola和Smits实验数据，评估其是否符合相似性条件。
• 通过11幅图表和附录中的详细可视化与定量分析，支持研究发现。

实验结果

研究问题

• RQ1 声称通过Zagarola和Smits归一化方法实现相似性的数据集，在多大程度上真正满足湍流边界层中相似性的全部标准？
• RQ2 为何缺陷剖面归一化并不必然意味着湍流边界层流动中存在真正的相似性？
• RQ3 当经过严格检验时，原始Zagarola和Smits数据集是否满足相似性的全部要求？
• RQ4 不完整相似性检验对基于该归一化方法的文献中结论有效性的潜在影响是什么？
• RQ5 研究人员应如何避免将剖面归一化误认为是湍流边界层研究中相似性的证据？

主要发现

• 大多数看似通过Zagarola和Smits缺陷剖面归一化方法显示相似性的数据集，并未满足真正相似性所需的全部条件。
• 常被引用为相似性典范的原始Zagarola和Smits数据集，在严格评估下也未能完全符合相似性条件。
• 仅依赖缺陷剖面归一化作为相似性证据的普遍做法是不足且常常具有误导性的。
• 本研究揭示了在湍流边界层文献中广泛存在的相似性评估系统性缺陷。
• 有必要对文献中已有的相似性断言进行重新评估，特别是基于Zagarola和Smits型归一化及缺陷剖面分析的研究。