近壁湍流边界层对称与非对称相干结构的形成机制分析

提出某一种局部脉冲扰动为近壁湍流边界层对称和非对称相干结构产生的初始物理模型,采用直接数值模拟的方法,数值研究近壁湍流边界层对称与非对称相干结构的形成机制及发展规律,详细地分析对称与非对称相干结构的演化特征,确定非对称相干结构和对称相干结构哪一种情况更容易被激发产生以及激励快速增长的原因是什么?该问题的深入研究,为我们进一步理解和认识湍流的形成机理、演变过程以及湍流的能量、动量的输送规律等方面均起到十分重要的作用.     

近壁湍流边界层壁面局部扰动诱导形成相干结构的动力学模型

在壁面局部脉冲扰动作用下,采用直接数值模拟的方法,数值研究了湍流边界层近壁区两个相干结构形成的理论机制和非线性作用问题.然后,通过数值计算的手段,进一步探讨了近壁湍流边界层流中两个相干结构之间的非线性作用机理,分别确定它们在流向、展向方向上排列的不同结构类型分布的两个相干结构之间相互作用的效果有何区别以及它们之间间距的大小对相干结构的产生和发展有什么影响,从而可能合理地解释平面剪切湍流中低速条纹结构出现的原因.     

近壁湍流相干结构的数值模拟

提出了近壁湍流对称单个相干结构的理论模型,采用紧致有限差分和Fourier谱展开相结合的数值方法研究它的演化问题,得到雷诺应力分布及高剪切层的形成过程与实验结果一致。     

不可压壁湍流中基本相干结构

条带和流向涡作为壁湍流中的两类基本相干结构,对于理解壁湍流的生成演化具有重要意义。本文首先回顾了充分发展不可压壁湍流中,这两类基本相干结构从近壁区到远壁区、从低雷诺数到高雷诺数的发现、发展历程,并着重点论述其自相似和自维持的两个核心特征。然后,进一步讨论基于湍流自维持过程发现的一系列精确相干态,从N-S方程不变解的角度精确地描述了条带和流向涡构成的自维持单元。精确相干态同时具有自维持和自相似特征,且维度更低,构成了充分发展壁湍流的骨架,为采用动力系统理论研究壁湍流奠定了基础。近些年,精确相干态在解释亚临界转捩方面也获得了较大成功,为转捩的研究提供了新的视角,有望从动力系统角度关联湍流与转捩两个经典问题。     

沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.      

磁流体湍流中的结构和能量传输

磁流体湍流中存在多种相干结构,包括电流和涡旋结构。文章主要对近几年有关磁流体湍流相干结构及其相关的能量传输的一些工作进行了介绍。不同于中性流体湍流中的管状结构,磁流体中的相干结构多呈现为片状,强电流片附近也存在强涡片结构。磁流体湍流中的能量级串使能量跨尺度从大尺度传递至小尺度;与中性流体湍流能量传输主要集中在相近尺度上不同,磁流体湍流除了动能传输,还有磁能传输,以及动能与磁能之间的跨尺度互相转换。研究表明,磁流体湍流中的能量传输及耗散具有强间歇性,集中在较小区域范围,且与相干结构存在关联。在存在背景磁场的情况下,磁流体湍流中的相干结构在背景磁场方向上被拉长,而同样方向上的能量传输受到抑制。在高马赫数的情况下,激波的产生会使能量传输明显增强,同时带来很强的间歇性,结构函数标度律远远偏离线性标度关系,并且随着阶数的增加,标度指数会达到饱和值。     

双压电振子异步振动主动调制湍流边界层流向涡减阻

以热线敏感丝为感受器、单片机(MCU)为控制器、双压电振子为动作器构成闭环控制回路,实现闭环主动控制湍流边界层相干结构减阻。采用安装在壁面上的展向布置的双压电振子异步振动方式,通过对压电振子输入3种不同振动频率,得到160 Hz工况实现最大减阻率为16.03%。压电振子振动使得湍动能更大程度地集中在能量峰值周围,改变了湍流边界层近壁区的含能结构,对相干结构产生调制作用。压电振子振动频率与相干结构特征频率越接近,减阻效果越好。闭环控制中控制压电振子所需要的电能节省开环的75%,实现与开环控制相近的减阻效果。施加控制加入条件检测的条件相位平均波形时间周期略变短,以压电振子壁面扰动方式调制近壁流向涡,减小壁面摩擦阻力,获得减阻效果。      

温度边界层对壁湍流多尺度相干结构的影响

用热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量了风洞中壁面加热平板湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号, 与常温情况相比, 热对流加速了壁湍流中流体的动量、质量和能量的交换, 加快了湍流边界层的发展;用子波分析方法研究了壁面加热对壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠条件相位平均波形的影响, 显示热对流明显增大了缓冲层相干结构扫掠过程和喷射过程的强度, 是增强壁湍流中流体的动量、质量和能量交换的根本原因.      

圆管湍流的近壁涡结构

本文利用流动显示方法研究圆管湍流的近壁涡结构.采用激光诱导荧光技术显示流场,以每秒25帧的CCD摄象机记录近壁流动结构.通过图象时间序列计算纵向涡的平均间距和平均猝发周期.实验结果表明圆管湍流的近壁结构和平壁湍流结构类似,但是平均间距和猝发周期均大于平壁湍流的相应参数.本文还利用图象处理技术重构近壁涡的空间图象.     

吹吸扰动对壁湍流边界层摩擦阻力的影响

对风洞中平板湍流边界层施加局部周期性吹吸扰动,并用IFA-300热线风速仪测量了其近壁区域不同法向位置瞬时速度的时间序列信号.利用湍流边界层对数律平均速度剖面,计算湍流的壁面摩擦阻力.对平板湍流脉动速度信号用子波分析进行多尺度分解,通过条件采样以及相位平均的方法获得不同尺度下的相干结构波形和能量分布,来研究吹吸扰动对平板湍流边界层的摩擦阻力的影响.结果表明,扰动使得窄缝附近流动阻力增加,而下游区域流动阻力减小.      

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE TURBULENT COHERENT STRUCTURES OF LAMINAR SEPARATION FLOW OVER A BACKWARD FACING STEP

ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮＯＮＴＨＥＴＵＲＢＵＬＥＮＴＣＯＨＥＲＥＮＴＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳＯＦＬＡＭＩＮＡＲＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮＦＬＯＷＯＶＥＲＡＢＡＣＫＷＡＲＤＦＡＣＩＮＧＳＴＥＰＷａｎｇＪｉｎｊｕｎ；ＬｉａｎＱｉｘｉａｎｇ...     

后向台阶层流分离湍流结构的实验研究

实验研究是应用 LDV及氢泡显示技术在水流中进行的。得到了剪切层厚度、涡量厚度、拟序结构以及再附后壁面切应力、边界层形状因子等的变化规律。对流动再附后壁面附近带条结构进行了详细分析。结果表明在流动再附后 2 0倍台阶高度处形成湍流边界层     

贴壁方柱湍流场TR—PIV实验研究

采用时变粒子图像速度场测试技术（TR—PIV），对低速循环水槽中贴壁二维方柱绕流湍流场进行了细致的测量。通过对实验得到的30000个连续瞬态速度场进行分析，得到了时均速度场和流线图谱，以及流向、法向速度分量的脉动强度场和涡量场。此外，对脉动速度时序信号进行谱分析，得到了流场中低频大尺度相干结构脱落频率。通过对瞬态速度场的分析，揭示了贴壁方柱绕流的旋涡脱落及其发展过程。     

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

使用GAO-YONG方程组对湍流边界层拟序结构特性的研究

与以往的湍流模型不同,GAO-YONG不可压湍流控制方程组不需要任何经验系数及壁面函数。其级数形式的能量方程与非线性现象多尺度层次相对应,具备了描述湍流统计平均和拟序结构的双重功能。本文采用交错网格和SIMPLE方法求解GAO-YONG不可压湍流方程组,考察了GAO-YONG方程组中能量方程阶数以及计算网格对拟序结构的影响,证明了该方程在描述拟序结构方面具有一定的适定性。      

On management and control of turbulent shear flows

Concepts of turbulent flow control have become of growing importance during the last few years, following increased interest in the detailed structural scenario of turbulence—in particular our improved understanding of coherent structures on the one hand (the prerequisite), and a need for improvement of technological processes on the other (the goal). These considerations have mainly been followed by engineers and physicists concerned with problems in aerodynamics. It is our aim to draw the attention of a wider group of engineers to turbulent flow control in order to speed up the transfer of knowledge from aerodynamics to applications in other fields of engineering.

In this paper an attempt is made to compile a major body of the available knowledge on flow control in separated and wall bounded turbulent flows. After a brief introduction of the basics of control theory (Section 2) and of the major flow structures and their stability characteristics (Section 3) free and wall bounded turbulent shear flows are discussed (Sections 4 and 5). This discussion summarizes the main relationships between structure and flow behaviour and shows possibilities of influencing properties of these flows such as increasing mixing or avoiding separation.     

展向不同间距壁面粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了壁面不同展向间距粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响。实验中粗糙元布置在氢泡丝前,其间距按如下两种排列设置：粗糙元直径的0、1和3倍,等间距1、2和4cm;每种情况粗糙元直径均为2.3、4和6mm。基于平均流速和水力直径的流动雷诺数从14000到48000变化。实验观测了光滑壁面和粗糙元壁面的近壁湍流拟序结构条带特征。发现：对于两种不同排列,相同雷诺数和相同粗糙元间距条件下条带有量纲间距均随着粗糙元直径增大而减小,条带有量纲高度均随粗糙元直径的增大而增大;相同雷诺数和相同直径粗糙元条件下条带有量纲间距均随着展向间距增大而增大,条带有量纲高度均随展向间距的增大而减小。粗糙元壁面湍流条带有量纲间距均比光滑壁面小,条带有量纲高度均比光滑壁面大。研究结果对近壁湍流的流动控制具有重要指导意义。     

利用PIV技术对非光滑表面湍流边界层的实验研究

利用在线式 Ｐ Ｉ Ｖ 系统在低速风洞中对两种非光滑表面：阵列涡发生器表面和波纹壁面的湍流边界层进行了实验测量。观察到了壁面几何形状的改变对非光滑表面湍流边界层拟序结构的产生和发展的影响：阵列涡发生器表面（１０ｍ ／ｓ）湍流边界层内有明显的双剪切带状结构,外剪切带状结构接近边界层的外边界,小尺度的涡在内剪切带状结构的附近产生;波纹壁面（２０ｍ ／ｓ）湍流边界层内涡的尺度比较小。并在相同的壁面几何形状条件下,在不同的流动工况下,研究了非光滑表面对湍流边界层拟序结构的影响。实验结果表明,壁面几何形状的改变对外层的大尺度横向涡的产生和发展有明显的影响;而这种影响效果在不同的流动工况下相差很大。