壁湍流标度律的实验研究

对风洞中零压力梯度平板湍流边界层进行了实验研究，用热线风速仪测量了不同法向位置的脉动速度，研究了平板湍流边界层不同法向位置速度结构函数的标度律。     

用子波系数概率密度函数研究湍流多尺度结构的间歇性

用热线风速仪在充分发展平板湍流边界层中测量流向速度信号的时间序列并进行湍流多尺度结构统计特性的实验研究。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风洞中平板湍流边界层不同法向位置的流向速度分量的时间序列信号,用子波分析对湍流脉动速度信号进行多尺度分解,将推广的自相似性(ESS)应用于子波分析。用子波系数的概率密度函数验证了多尺度相干结构对间歇性的影响,并证明与距壁面距离有关。对比研究了提取湍流边界层多尺度相干结构前后湍流多尺度结构函数间歇性的变化规律及概率密度函数的变化规律,验证了多尺度相干结构是湍流边界层产生奇异标度律的原因。当这些相干结构被分离出后,由子波系数计算的ESS标度律就回到K olm ogorov线性标度律,这一现象在整个湍流边界层都是很明显的。      

壁面加热湍流标度律的实验研究

用热线风速仪测量了风洞中壁面加热和不加热平板湍流边界层不同法向位置的流向速度和温度的时间序列信号，研究了壁面加热的边条件和不同法向位置的剪切作用对速度和温度增量的p阶结构函数的非线性反常标度律的影响，实验结果表明，壁面加热的边界条件不同法向位置的剪切作用对层次结构模型中间歇参数β和最奇异指数γ的影响明显存在，并初步分析了在具有强剪切作用的壁湍流中这种影响产生的原因。     

湍流标度律的实验测量

实验测量了射流与圆柱尾流纵、横向的湍流速度脉动，计算了这两种方向的湍流速度结构函数的标度规律。结果表明，横向的湍流速度脉动比纵向有着更大的间歇性，这支持目前已有的一些关于均匀各向同性湍流的实验测量和数值计算的结果，而与另一些文献报道不同。此外，还对纵、横向湍流速度结构函数标度律的S－L模型进行了一些分析。     

射流和圆柱尾流湍流层次结构的实验研究

用热线测量了射流和圆柱尾流湍流核心区不同位置处的风速脉动，通过对速度结构函数标度性质的计算，研究了湍流层次结构模型。主要结论有：层次结构模型中的相似性假设得到了实验的有力支持；模型提出的标度指数公式精确地反映了湍流随机场的标度性质；速度结构函数的标度性质是与具体湍流流动有关的。     

高温化学非平衡湍流边界层直接数值模拟

高超声速飞行器在特定工况下飞行时，其表面会存在湍流与化学非平衡耦合作用，但考虑化学反应的高温湍流边界层的研究工作还十分有限。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，分别采用热完全气体模型、空气化学反应模型开展直接数值模拟(DNS)研究，对比分析了化学非平衡效应对湍流统计量、湍流脉动量的影响趋势，并研究了高温湍流边界层标度律。计算结果表明，以吸热离解反应为主的化学非平衡效应会使边界层平均温度和脉动温度显著降低，但对平均速度剖面、速度脉动、雷诺应力的影响较小；在高温化学非平衡湍流边界层的对数区，各流动参数的拓展自相似理论的相对标度指数基本符合标度律。     

高速列车转向架区域气动噪声风洞实验研究

转向架区域是高速列车最主要的气动噪声源.通过风洞试验的方法,测量了1:20转向架区域的舱内气动噪声和压力,分析了动车转向架、拖车转向架舱内气动噪声和脉动压力的速度标度律,及其随雷诺数的变化规律.结果表明:近场气动噪声标度律分析可以区分转向架舱内湍流脉动压力和声压,舱内湍流脉动压力能量随速度的3.2～3.9次方增加,声压级随速度的6～8次方增加,两者的分界线频率,转向架舱后壁高于舱顶部.气动噪声为具有多个峰值的宽频带噪声,频率不随雷诺数变化的峰值噪声由声共振导致,频率随雷诺数增加而增大的峰值噪声为气流冲击轮对下部导致.转向架区域的气动噪声的峰值频率与转向架舱、轮对尺寸有关,宽频带噪声受转向架形式影响.该研究结果可为理解转向架区域气动噪声源特性及降噪控制提供理论和数据支撑.     

吹吸扰动控制猝发过程中雷诺应力的实验

采用热线测速技术和双丝边界层热线探针,在风洞中以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率,精细测量了平板湍流边界层施加不同频率周期性质量引射前后,不同流向和法向位置的瞬时流向、法向和展向速度分量的时间序列信号.采用流向脉动速度局部平均结构函数模极大值法检测了壁湍流猝发过程中拟序结构不同速度分量和雷诺应力分量的条件相位平均波形.发现在扰动源下游一定范围内,摩擦因数和雷诺应力幅值有所减小,扰动改变了法向或展向脉动速度与流向脉动速度的条件相位平均波形的相位差,使其保持在π/2的奇数倍左右,此时雷诺应力几乎为0,改变了湍流边界层原有雷诺应力的产生和扩散输运机制,抑制了湍流雷诺应力的产生和输运.      

湍流边界层相干结构空间拓扑形态的 层析TRPIV测量

用层析TRPIV(time-resolved paticle image velocimetry)技术精细测量了水洞中平板湍流边界层三分量速度的时空序列信号,提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解.用空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,根据湍流多尺度涡结构在空间流向的拉伸和压缩特征,提出了新的湍流相干结构条件采样方法,检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构的“喷射”和“扫掠”事件中的速度、涡量等物理量的空间拓扑形态.发现在喷射和扫掠事件中均存在一对反向旋转的准流向“马蹄形”涡结构.      

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。     

高阶消失矩的Hermite三次样条小波

由于消失矩在小波应用中具有重要作用,本文在借鉴Jia和Liu工作的基础上,构造了支集在[-2,2]内具有6阶,7阶消失矩的对称及反对称Hermite三次样条函数峨,峨,并且证明它们的整平移具有如（R）稳定性．首先说明在一定意义下所有支集在内[-1,1],对称和反对称的小波均为Jia所求解小波的常数倍．其次,尝试按照Jia的标准构造支集在[-2,2]上的具有高阶消失矩的小波,遗憾的是它们的整平移不具有稳定性;最后,通过改变了标准,得到了理想的结果。     

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。     

全内反射测速技术（TIRV）中界面隐失波基准光强I_0的确定

基于隐失波全内反射的测速技术TIRV（Total internal reflection velocimetry）是微纳流动中测量壁面附近几百纳米范围内速度的有效方法。隐失波的光强分布I（z）随离开壁面的高度z指数衰减。若荧光粒子位于光强分布中,其亮度也将符合此指数关系,通过测量粒子亮度可确定粒子的垂向位置z,而确定隐失波的基准光强I0是该技术的关键之一。基于粒子近壁Boltzmann浓度分布、粒子粒径不均匀性和隐失波光强公式,给出了粒子亮度概率密度分布的数值解。实验测量粒子统计亮度分布后,依据实验和理论分布相同原则可定量确定基准光强I0。采用100nm和250nm荧光粒子验证此方法并定量分析了粒径分散性对确定I0的影响。进一步采用100nm粒子进行近壁速度测量实验,结果验证了本方法的有效性。     

D300mm×2000mm圆管内旋转流切向速度特征的实验研究

采用热线风速仪（HWA,Hot Wire Anemometry）测量了D300mm×2000mm圆管内旋转流切向瞬时速度随时间的变化特征。测量结果表明在圆管的中心区域,瞬时切向速度随时间的波动变化较大,而靠近边壁区域瞬时切向速度随时间的波动变化较小,中心区域瞬时切向速度的脉动幅值远大于壁面区域的脉动幅值。通过对瞬时切向速度进行频谱分析可知,瞬时切向速度的波动频率沿径向和轴向基本一致,但在出口区域频率有所增大,圆管内的瞬时切向速度出现低频波动是旋转流的摆动导致的。     

180°矩形弯管流场的LDV测量

采用激光多普勒测速仪（简称LDV）对180°矩形弯管内流场进行了测量,得到时均速度、湍流强度等数据。除靠近内壁r^＋=0．1位置,弯管纵截面上的切向速度沿轴向基本不变,但靠近弯管上下壁面的切向速度逐渐减小直至为零。在弯管的主流区域,0°～60°之间的纵截面上,内侧切向速度增大,外侧切向速度减小;60°～180°之间的纵截面上,内侧切向速度减小,外侧切向速度增大。在整个弯管段内,内侧切向速度总是大于外侧的切向速度。由于受到边界层分离和二次流的影响,90°～180°纵截面上r^＊ =0．1位置的切向速度产生明显的变化。轴向速度值远小于切向速度值,并且沿轴向变化不大。轴向速度的正、负之分,说明了二次流的存在,并且二次流的旋转中心从外壁向内壁移动。切向和轴向湍流强度的数量级一样,基本在0．1V。左右。切向湍流度在150°～180°纵截面r^＊ =0．1位置的变化很大;但是轴向湍流强度分布比较平稳,其值沿轴向和径向变化不大。     

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究。粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5。基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740～17400。实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围。粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高。沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度。粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性。尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响。     

底部形状对钝锥体模型气动与电磁散射性能的影响

开展了飞行器气动与隐身综合特性数值研究。分别利用时域有限差分法和数值求解N—S方程的方法对飞行器的电磁散射与气动特性进行了数值模拟，研究了钝锥体模型底部形状对其雷达散射截面（RCS）和零升阻力的影响。由数值计算结果可知：合理地改变钝锥体模型底部形状，可以降低模型的RCS。并且，随着椭球体轴的长度或锥体高度的增加，模型的RCS逐渐减小。当飞行马赫数为5．0，高度为20km时，底部形状为椭球体或锥体的模型，随着椭球体轴的长度或锥体高度的增加，模型的零升阻力略有下降。     

起动期圆盘尾流的氢泡法观测

 本文综述了氢泡法观测的起动期圆盘尾流区的流动现象。圆盘垂直于来流,流动从静止状态开始以等加速度作加速运动,在起动过程中圆盘后形成一个对称的涡环,涡环逐渐扩大并往下游移动,通过观测得到了涡环的尺寸与位置随时间变化的关系,以及它与尾流中倒流参数的关系。在起动后期涡环脱落并破裂,破裂前尾流中倒流流速达最大值,约为自由流流速的1.3倍,破裂时尾流可能出现大幅度摆动。     

孔壁通透率对平面附壁射流的影响

本文研究了不同壁面通透率对平面附壁射流动态特性的影响。实验结果表明孔壁减弱、甚至消除了流场中的低频摆动现象。随着孔壁通透率的增加,射流时均附壁点向下游逐渐移动,射流和壁面之间的回流区长度逐渐增大,而射流内侧剪切层内的涡旋与壁面之间的相互作用减小,壁面压强脉动强度变小,附壁射流的动态特性逐渐向自由射流转化。当孔壁通透率为40％左右时,射流与二维平面自由射流类似。距离射流出口不同位置上的壁面脉动压强之间的互谱表明,当孔壁通透率增大以后,射流内侧剪切层中的旋涡向下游传播距离变得更长,传播速度加快,这说明低孔壁通透率情况下的附壁射流中存在的低频摆动现象阻碍了剪切层高频旋涡向下游的发展。