用PIV实验研究边界层内结构函数标度律

湍流标度律的变化情况显示了湍流边界层内的流动状况.利用高分辨率、高帧率的粒子图像测速技术(PIV)对平板湍流边界层进行了实验研究.研究结果显示,当脉动速度增量结构函数的阶数为正整数且逐渐增大时,由实验所得的脉动速度增量结构函数的标度指数逐渐偏离K41和SL标度指数,出现奇异标度律;而当结构函数的阶数为正分数时,实验所得的标度指数和K41及SL标度指数较为接近;当结构函数的阶数由0趋向于-1时,实验的标度指数明显偏离K41和SL标度指数,出现奇异标度律.这也说明了用低阶结构函数的标度指数也能说明标度律的奇异性及边界层内存在间歇性.对于法向速度增量和涡量分量来说,不管结构函数的高阶或低阶的标度指数都不随壁面位置的不同而改变,具有普适性.     

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。     

气动雾化喷嘴强化湍流扩散的实验研究

用热线风速仪对气动雾化喷嘴出口的气相湍流速度场进行测量，得到了气流的脉动速度及旋涡尺度分布。用浓度测量仪测量了喷嘴出口液相浓度的分布。研究表明，湍流脉动对细小雾滴的扩散具有促进作用，而气流的大尺度旋涡对液滴扩散的作用更加明显。内气路采用径向射流型式，可以增大气流的旋涡尺度，加强对液滴的扰动，因此对喷雾浓度的均匀分布大有益处。     

沟槽超疏水复合壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验研究

利用TRPIV实验分别测量了湍流边界层在亲水壁面、超疏水壁面以及沟槽超疏水复合壁面上的瞬时速度场,对比分析了3种壁面的摩擦阻力,发现沟槽超疏水复合壁面的减阻率能够达到20.7%,而超疏水壁面只有14.6%。通过对比分析湍流边界层在3种壁面上的湍流脉动强度,发现法向湍流脉动强度在3种壁面上无明显变化,而在y+ < 150区域的同一法向高度上,流向湍流脉动强度在沟槽超疏水复合壁面上相对于亲水壁面的减小程度比超疏水壁面更高。为了进一步研究不同尺度的湍流脉动在不同壁面的变化情况,本文采用基于傅里叶变换的空间滤波法,将瞬时脉动速度场分解为空间流向波长大于δ的大尺度部分和波长小于δ的小尺度部分,发现超疏水壁面和沟槽超疏水复合壁面对大尺度流向湍流脉动强度的抑制作用可以到达y+=150的法向位置,而对小尺度流向湍流脉动强度的抑制作用只能到达y+=100的法向位置。采用以顺向涡为条件的大尺度脉动速度的条件相位平均方法,发现在y_ref=0.1δ处超疏水壁面和沟槽超疏水复合壁面相比于亲水壁面都存在正的大尺度流向脉动与负的法向脉动增强、负的大尺度流向脉动与正的法向脉动减弱以及脉动速度的0等值线偏离条件相位平均参考点的趋势,且沟槽超疏水复合壁面的移动趋势最弱。通过对比3种壁面不同法向高度的顺向涡强度值,同法向高度上亲水壁面、超疏水壁面以及沟槽超疏水复合壁面的涡强度值依次减弱,表明沟槽超疏水复合壁面比超疏水壁面能更有效地抑制近壁区涡结构的运动,从而实现更好的减阻效果。     

标量图像测速原理及数值检验

标量图像测速是一种新型的能够测量微小结构的湍流实验测量系统,其理论依据是Schmidt(Sc)数>1的标量湍流里,标量场脉动的时间尺度和空间耗散尺度要小于对应的速度场脉动的时间尺度和空间耗散尺度,标量脉动比速度脉动具有更强的间歇性,标量场所含信息大于速度场所含信息,从高Sc数标量场提取速度场是可能的.笔者详细介绍了标量图像测速原理,并在积分最小化法思想指导下根据标量输运守恒方程及限定条件,建立了积分最小化标量图像测速的数学表示.通过变分法,获得了积分空间每个点的三个速度分量的欧拉特征方程,对欧拉特征方程离散化即可在积分空间建立一线性稀疏方程组.采用变分迭代法对此线性稀疏方程组进行求解即可获得三维速度场,据此采用积分最小化法建立了标量图像测速图像处理系统.还介绍了四维标量场(三维空间加一维时间)的图像采集原理,并采用DNS数据对标量图像测速处理系统进行了数值检验,检验结果表明标量图像测速技术所求解的速度场和DNS精确解之间在结构上是十分相似的,标量图像测速可以正确地提取速度场.     

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.     

液固两相湍流边界层相干结构的PIV实验研究

液固两相湍流是工业和工程中常见的流动状态,研究颗粒—湍流两相之间的作用规律和湍流调制的机理,对有效调控化工过程传热传质具有重要意义。采用粒子图像测速技术(PIV)对液固两相平板湍流边界层进行实验研究,分析在同一来流速度下加入固相颗粒和清水时水平板湍流边界层的平均速度剖面、湍流强度变化情况。通过空间局部平均速度结构函数和相干结构条件采样技术,提取并对比壁湍流相干结构"喷射"和"扫掠"事件的脉动速度、雷诺切应力以及展向涡量的二维空间拓扑形态。发现,同清水工况相比,湍流边界层缓冲层有变薄的趋势,对数律区内移,湍流强度和雷诺切应力均有所增强。相干结构在猝发时,脉动速度增强,雷诺切应力相对增大,展向涡量的发展受到促进,这表明实验中颗粒的存在使得湍流边界层中流体脉动增强,相干结构"喷射"和"扫掠"的强度相应增大,动量和能量的输运增强。     

可控流场尺度预混湍流燃烧器及其火焰结构分析

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响，以及拓宽湍流场的强度和尺度范围，发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器。采用恒温型热线风速仪标定流场，得到了一系列湍流参数。流场标定结果表明:该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围，并能利用不同几何结构产生多种可控流场，实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的。选用有代表性的15种湍流孔板组合结构，利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术，开展了湍流燃烧实验，结果表明:湍流强度的增大（1 < u'/S_L，0 < 10）使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区，火焰面破碎程度明显增强，孤岛结构明显增多。高宏观雷诺数下，积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用，可能存在临界宏观雷诺数Re_c，能够表现流体惯性力占主导地位的程度，决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果。积分尺度能量大，扰动能力强，故积分尺度越大，火焰体积越大；但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈，小尺度叠加在大尺度上的程度增强，最终也使火焰体积显著增大，掩盖了积分尺度对火焰体积的影响，说明积分尺度（表征大尺度）不如湍流强度（表征叠加小尺度的程度）对火焰放热率影响大。     

低旋流数旋进射流流动特性的PIV实验研究

采用粒子图像测速技术,研究了当雷诺数Re=4.5×104时低旋流数旋进射流的流动特性。针对3种不同旋流数（S=0、0.26和0.41）,对比分析了时均流向速度场、流向速度脉动强度场以及时均涡量场的变化规律。实验测量结果表明:随着旋流数的增加,流向速度大小及其脉动强度沿流向衰减加剧,而射流中心线上的速度脉动强度增强;因腔体壁面空间限制而产生的回流区向上游移动且尺度变小;外剪切层中旋涡的流向发展急剧衰减而内剪切层内的旋涡几乎不受影响。此外,结合速度谱和典型时刻的瞬态流场特征可知,旋流数增大后,旋进频率增大,而旋进现象发生的起始位置向上游移动,使得旋进偏转角度增大。     

板翅式及管翅式换热器气流湍流特性研究

在连续式回流风洞中，为了控制风洞气流的总温，平衡风扇或压缩机做功产生的热量，需要在风洞试验段上游布置换热器。风洞换热器除了需要提高换热效率、降低压力损失之外，其对来流的整流效果及自身所引发的湍流流动也会对风洞试验段流场品质造成影响。在0.55 m×0.40 m低噪声航空声学风洞中，使用热线风速仪对椭圆管翅片式及板翅式换热器的下游湍流度分布进行了试验研究，获得了不同构型换热器的压力损失特性。采用数值模拟方法，对不同构型热交换器的再生湍流度进行了模拟和分析。研究结果表明，椭圆管翅片式与板翅式换热器对湍流流动的整流效果有明显差异。椭圆管翅片式换热器对降低湍流度、抑制其不均匀分布的效果要优于板翅式换热器，板翅式换热器对湍流度横向分量的整流效果较好，板翅式换热器的再生湍流度约为管翅式换热器的30%~40%。研究结果可为高流场品质要求的大型连续式风洞换热器的选型及优化提供参考。     

大涡模拟在加力燃烧室冷态流场中的应用

对带V型稳定器模型加力燃烧室二维冷态流动进行了大涡模拟。采用了代数和k方程两种亚网格尺度模型，并用SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程，用壁面函数处理固壁边界条件，得到了模型加力燃烧室二维瞬态流场的模拟结果。通过对不同亚网格尺度模型和不同入口速度下的瞬态流场的比较，揭示了不同亚网格尺度模型和不同入口速度分布对带V型稳定器燃烧室二维冷态瞬态流场的影响。     

无剪切湍流混合层中被动标量扩散的实验研究

研究被动标量在无剪切湍流混合层中的扩散。实验在风洞中进行,用大小网格尺度比为2∶1的网格实现无剪切湍流混合层,用烟粒子作为测量用的示踪粒子同时作为被动标量形成浓度场,用PIV测量得到速度场同时用Mie散射测量得到高施密特数的浓度场,由此可以计算得到速度和浓度相关,并用实验数据直接检验大涡模拟中亚格子应力Smagorinsky模式和亚格子质量通量梯度模式。     

沟槽面对湍流边界层流动特征影响的实验研究

利用二维激光多普勒测速仪对零压力梯度下光滑面和小尺度沟槽面的沟槽及峰上部区域中湍流边界层流场进行了对比测量。笔者着重考察了在相同流动条件下两位置的平均速度、流向速度脉动强度、高阶矩以及雷诺剪应力的分布特性。实验中发现:沟槽能够增加粘性底层的厚度,减小壁面剪切力,有减阻效应。而此处的流向速度脉动的强度、高阶矩以及雷诺剪应力在距离壁面的不同区域中均有减小或降低,说明沟槽具有削弱湍流湍动的功能;而峰上部的湍流统计平均量则表现出与槽相反的结果或趋势。还讨论了该沟槽面减阻的原因。     

两类流场下悬臂圆柱气动力特性对比研究

对长径比L/D=2的悬臂圆柱在来流风速5~20m/s（Re=1.73×105~6.90×105）下进行层流来流和湍流来流（I_u=9.5%）风洞试验，研究亚临界至超临界雷诺数、高湍流度下悬臂圆柱绕流的气动力特性，包括阻力系数、平均风压分布、脉动风压分布等。结果表明:（1）层流来流下，悬臂圆柱长径比越大，临界区间阻力系数降幅越明显；超临界区间，悬臂圆柱长径比越小，阻力系数越大；亚临界区间脉动风压峰值在距驻点70°位置出现，超临界区间峰值位置后移至110°~115°且脉动风压分布出现明显尖峰。（2）湍流来流下，L/D=2悬臂圆柱脉动风压峰值位置与层流来流超临界雷诺数下的结果一致，峰值大小随雷诺数的变化较为平缓。     

短试验段内格栅湍流场风洞试验研究

为在轴向距离较短的风洞中调制出局部高湍流场，利用风洞试验的方法，对5种格栅（2种方型格栅、3种竖条格栅；3 cm × 3 cm截面铝制型材组装）后的近流场区域进行热线风速仪测量，得到格栅后近场区域的湍流参数分布及各向同性特性，依据相关湍流参数的变化规律，引入无量纲量拟合近场区域湍流强度变化规律经验公式，拟合优度为0.96。分别利用经典和现代谱估计对湍流功率谱密度进行分析，对比发现不同形式的谱估计均能准确预测近场区域湍流功率谱密度，仅在低频处存在偏差。通过改变格栅与测点距离、来流速度以及栅条结构的形式，可以改变格栅湍流场中的能量结构。     

预混湍流火焰面褶皱结构网络拓扑研究

湍流火焰结构是表征湍流与火焰相互作用的组分、速度、温度等标量场信息，理解湍流与火焰相互作用规律，验证和发展湍流燃烧模型的实验基础。针对传统曲率PDF分布反映湍流火焰面褶皱结构失准问题，利用网络拓扑结构方法可以标记系统关键节点和特征结构，构建湍流火焰面的拓扑结构。本文标记了湍流火焰面上的关键褶皱结构，分析了湍流与火焰的作用规律，结果表明:低湍流强度下，湍流火焰面的关键褶皱结构由火焰自身不稳定性引起；当湍流强度增大，湍流火焰面的关键褶皱结构由湍流尺度决定。在本生灯湍流火焰中，火焰自身不稳定性引起的火焰褶皱与火焰发展距离有关。在本生灯火焰底部，火焰自身不稳定性不引起火焰面褶皱，随着火焰向下游发展，其对火焰面影响逐渐增大，火焰褶皱程度增加。     

湍流边界层外区超大尺度相干结构相位平均波形

用IFA300恒温式热线风速仪和X形二分量热线探针精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号。通过对不同速度分量进行子波变换，得到了近壁区和外边界区流向和法向脉动速度分量的分尺度湍动能随尺度的分布，在外边界区发现流向脉动速度和法向脉动速度的能量最大尺度随法向坐标远离壁面增大，相干结构的平均猝发周期也相应增加，说明在外区存在超大尺度的相干结构。采用条件采样和相位平均技术，提取了近壁区和外边界区能量最大尺度相干结构流向及法向速度的喷射和扫掠的条件相位平均波形，发现流向和法向脉动速度及雷诺应力喷射和扫掠事件的条件相位波形较近壁区都发生了改变。雷诺应力负的幅值显著降低，雷诺应力表现为正负交替的波动现象。