极低湍流度下翼型边界层及近场尾流的雷诺应力测量试验研究

在西北工业大学低湍流度风洞中，用热线风速仪在对称翼型边界层及近场尾流中，于２０多处剖面上移测速度型、湍流强度、雷诺正应力及切应力等湍流参量。着重讨论了各雷诺应力分量的分布。结果表明，在边界屋和尾流宽度方向及流动方向上均有明显的规律性，其有关特征值明显低于常规风洞湍流度下的结果。     

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。     

湍流涡黏性模型方程中相位差的测量

基于理论上湍流相干结构复涡黏性模型对涡黏性系数的分析,应用热线测速技术测量了平板湍流边界层多尺度相干结构动力学方程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力分量与相干结构流向速度流向变形率之间的相位差.分析了湍流边界层相干结构猝发过程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力分量与相干结构流向速度流向变形率之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,为建立更加符合实际的湍流模型提供了实验依据.     

八丝热线探针制作及其应用

介绍了八丝热线探针的制作工艺,有效地消除了各热丝探头之间的电信号干扰和动力学干扰。实验中使用该探针检测到了湍流边界层内的大尺度旋涡,并测量了它们的强度和尺度。与此同时还获得了速度、湍流强度和功率谱等流场参数,结果与现有典型数据一致。说明本文所述的多丝热线探针具有很强的实用性。     

平面湍性混合层流、射流四阶脉动速度关联的研究

本文用恒温热线风速仪和计算机采样及数据处理技术,结合 X 型探头的热线响应方程,对平面湍性混合层流、平面湍射流自模拟区内的四阶脉动速度关联量进行了测量;将所得的测量值与根据周培源教授提出的把四阶脉动速度关联用三个二阶脉动速度关联乘积的和来表示的假定而算得的相应值进行了比较,结果表明两者的吻合程度令人满意。说明在本文所述的剪切流场中,可通过简单而又有效的方法,求出四阶脉动速度关联值;在此基础上,可对三阶脉动速度关联方程进行封闭求解,提高对平均速度、雷诺应力等量的求解精度。     

明渠恒定均匀流试验中尾门的影响范围

利用PIV测量了明渠恒定均匀流中离尾门(活页式及闸板式)不同距离的9条断面中垂线的流速分布,分析了尾门对中垂线时均流速、紊动强度、雷诺应力及能谱特征的影响范围.对比活页式和闸板式两种尾门的差异可以发现,闸板尾门对时均流速的影响要明显大于活页尾门,而对于脉动强度、雷诺应力和能谱特征的影响,二者差异可以忽略.对于时均流速,在距离50h后两种尾门的影响均小于1.0%;对于纵向紊动强度、垂向紊动强度及雷诺应力,以4.0%、4.0%、10.0%作为衡量标准,尾门的影响距离分别为35h、25h、30h;对于纵、垂向能谱特征参数k50,以偏差值15.0%、6.0%作为标准,尾门的影响距离分别为35h和40h.     

二维通道内湍流边界层分离的实验研究

用激光多普勒技术测量了二维扩压器中不可压湍流边界层分离流动，得到了时均速度和雷诺剪应力分布。实验结果分析表明：以Ｃｏｌｅｓ速度律发展的Ｂａｒｄｉｎａ速度分布可以描述瞬时间歇分离点以前和瞬时间歇再附点以后的时均速度分布，但无法描述分离区的边界层速度型。Ｃｒｏｓｓ速度分布可描述分离区的边界层速度分布。Ｃｅｂｅｃｉ＆Ｓｍｉｔｈ涡粘性代数模型难以正确地描述分离边界层的雷诺剪应力。     

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.     

低湍流度风洞中的斜置翼三维边界层测量试验研究

在西工大低湍流度风洞中，于不同后掠角和湍流度下，以４５°单丝热线探头，在斜置翼上测量三维边界层速度型并计算特征参数的情况表明：横流影响的规律性明显，三维速度型扭曲相当复杂；后掠角和湍流度增大时，速度型和厚度的发展、不同层次的流线偏移和特征参数的变化受横流影响更为明显。     

声学风洞流场低湍流度及频谱测量研究

采用热线风速仪对5.5m×4m 低湍流航空声学风洞闭口试验段低湍流度流场进行测量,根据对干扰信号的分析,提出了高通惯性衰减滤波方法,并与一般数据处理方法进行了比较,给出了流场测量方案、方法和结果。采用功率谱方法和斯特罗哈数方法分析脉动速度信号中的干扰噪声,发现40Hz~10kHz 频谱范围内同时存在电磁干扰噪声和支架干扰噪声。比较分析了0.5Hz~5kHz 带通滤波方法、电磁噪声解耦方法和0.5Hz 高通惯性衰减滤波方法对干扰信号的滤除效果,采用0.5Hz 高通惯性衰减滤波方法获得了流场低湍流度数据,流场速度30~100m/s 的湍流度平均值小于0.05%。实验结果表明,高通惯性衰减滤波方法可以有效控制干扰信号对测量结果的影响程度,为低湍流度流场信号处理提供了一种方法。     

壁湍流调制雷诺应力和拟序结构应变率空间形态的层析PIV实验研究

采用高时间分辨率的层析PIV技术,测量了水洞壁湍流三维速度分量空间分布的时间序列,应用局部平均速度结构函数概念对流向速度信号进行多尺度分解,以流向速度分量的局部平均速度结构函数过零点作为特征量检测壁湍流中拟序结构猝发的喷射和扫掠过程,应用空间相位平均技术提取拟序结构猝发的喷射和扫掠过程各速度分量、涡量分量、拟序结构速度应变率分量以及调制雷诺应力分量的空间相位平均拓扑形态.为了引入平衡态涡粘模型假设模拟调制雷诺应力,研究了拟序结构猝发过程中调制雷诺应力分量和速度变形率分量的空间分布形态,发现两者之间的空间相位分布不一致.由于存在时空相位不同步性,说明需要考虑大尺度拟序涡结构引起动量传递的时空弛豫效应.应用经典的线性平衡态下的Boussinesq涡粘模型不能准确地描述壁湍流拟序结构动量传递非平衡现象的物理机理.对于壁湍流拟序结构动力学方程中调制雷诺应力的模拟,应采用包含时空相位信息的复涡粘张量模型.由于雷诺应力与速度变形率的时空不同步性,对非平衡非局部湍流场的数值模拟提出了一个挑战性的问题,建议采用包含相位信息的复涡粘张量模型来模拟雷诺应力张量,从而更加符合雷诺应力演化的物理机理,这一模型有可能成为一个很有发展前景的封闭模型,从而更加准确地预测工业领域中广泛存在的非平衡湍流.     

超声速混合层中PIV粒子的湍流变动作用研究

对二维超声速气固两相混合层进行双向耦合，研究了粒子图像测速技术（PIV）中示踪粒子对超声速混合层的湍流变动作用。超声速气固两相混合层的气相采用大涡模拟，离散相采用拉格朗日颗粒轨道模型求解。结果表明:与无负载示踪粒子时的超声速混合层相比，小Stokes数示踪粒子在超声速混合层中的布撒减弱了流向湍流，而强化了法向湍流，使雷诺应力峰值增大了9.68%；大Stokes数示踪粒子对混合层的湍流脉动起到了一定的削弱作用，最大雷诺应力值只有无负载时的41.74%。大质量载荷时，大量示踪粒子的运动尾迹抹平了部分法向速度脉动，使最大法向速度脉动只有无负载粒子时的38.63%；中等质量载荷时，超声速混合层的法向速度脉动和雷诺应力峰值与无负载粒子时相近；而小质量载荷时，超声速混合层中心线及其附近的法向速度脉动得到较小的增强，而最大流向速度脉动却被削弱了19.29%。小Stokes数和中等质量载荷示踪粒子对原始无负载粒子时的流场影响相对较小，研究结论对高速流动PIV测试有着重要的参考价值。     

旋流器内流场的研究

叙述了分别采用五孔探针、热线和激光三种流场测量方法测量旋流器模型内的流场分布情况,并得出基本一致的实验结果,从而为旋流发生器的设计提供理论依据。     

临界雷诺数区准椭圆形覆冰导线风压特性研究

采用刚性模型进行测压试验,得到了不同雷诺数下准椭圆形覆冰导线的风压分布规律,通过对比平均风荷载、脉动风荷载及风荷载谱等参数,分析了雷诺数对风荷载以及横风向驰振稳定性的影响。当雷诺数达到临界区,与亚临界区的对应值相比,平均阻力系数下降、平均升力系数随风向角变化幅度大且在某些对称工况产生横风向平均升力系数;平均风压系数分布对风向角等参数更为敏感。旋涡脱落由亚临界区的规则脱落变为不规则脱落,周向风压相关性减弱,特征频率消失。临界区内平均升力系数急剧的下降段使得结构更易发生横风向驰振。     

基于复合热膜技术的低风速及湍流测量

针对复合热膜应用于低风速和湍流强度测量方法进行了研究。风洞在进行低风速测量时普遍存在输出灵敏度不高的问题,采用增加热膜与环境温度差的方法,提高了热膜敏感探头在低速范围的输出灵敏度,实现了2m/s 内的风速和湍流准确测量。考虑到气体温度对热膜探头输出信号的影响,对温度补偿方法和补偿电路进行了研究,通过对电路的合理设计,实现了温差的精确控制。对热膜结构、尺寸和器件进行合理匹配,实现了复合热膜敏感探头的微型化设计。采用 MEMS 技术,通过最大限度减小加热电阻和测量电阻的尺寸,达到了较好的响应频率。测试结果表明,该复合热膜敏感探头可以满足低风速和湍流度的测试需求。     

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。     

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。     

变湍流度时翼型边界层及近场尾流的法向湍流特性初步试验研究

简述了湍流度对边界层及近场尾流时均特性和边界层转捩位置的影响,讨论了流向和法向湍流特性分布规律,并着重分析了湍流度对法向湍流特性的影响。结果表明,法向湍流强度及雷诺正应力沿流向分段性更为明显,且法向与流向湍流参量之比的特征值有一定规律性。