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。     

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。     

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。      

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。     

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.      

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.      

湍射流的三维LDV测量

对于湍射流下游（即喷口距离大于50倍直径处）的平均速度、脉动速度等流场性质的实验研究较多，而关于射流上游（喷口距离6倍直径内）的实验数据较少。为了测量低速湍射流的平均速度和脉动速度等流场性质，本文利用三维激光多普勒测速系统（3D LDV）对直径21mm的射流进行了湍流测量和流场分析，引入频移技术来确定速度的方向，因所用系统测量的三个速度分量彼此并不相互垂直，故进行了相应坐标变换，同时对测量系统装置和测量基本原理及实验方法进行了介绍，给出了流场脉动速度和湍流度等的实验结果。结果表明低速近喷口处湍射流的三个脉动速度分量、平均流速、射流宽度、雷诺应力等均呈规律性变化。     

翼身—平面角区湍流场研究

实验在低湍流风洞中完成．对翼身－平面角区流场里诸参数，如翼型表面和平板上的压力分布、绕翼型及尾迹区内的平均速度、脉动速度、湍动能及二阶关联量ｕ′ｖ′及ｕ′ｗ′进行了测量，然后应用拟压缩性方法，在曲线坐标系下求解Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，选取Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ湍流模式，对角区湍流场进行数值模拟。最后把计算结果与实验结果进行了对比，二者符合较好。     

圆自由射流多尺度涡结构迁移特性的实验研究

在流场背景湍流度比较大或流场中涡结构的尺度范围比较宽的情况下，为了研究湍流场中不同尺度涡结构的迁移速度，用IFA300双通道恒温热线风速计和两个热线探针测量圆自由射流中心线上距离一定的空间两点同一时刻的流向速度分量，用子波分析提取了每一个探针输出的不同尺度的脉动速度信号，计算了两个探针输出的同一尺度脉动速度信号的互相关函数，利用互相关函数达到最大值对应的延迟时间研究了湍流多尺度涡结构的迁移特性。实验结果表明：不同尺度涡结构具有不同的迁移速度，小尺度涡的迁移速度较大，大尺度涡的迁移速度较小。其中，一部分尺度的涡结构是湍流中的主要结构，该尺度涡结构对湍流的贡献也是主要的，其迁移速度与实验测得的湍流平均速度较为接近。     

双油路离心喷嘴雾化油滴的平均和脉动速度场的实验

采用相位多普勒粒子分析仪对某型航空发动机双路离心喷嘴的雾化油滴的速度场进行了实验研究,得到了雾化油滴平均速度、脉动速度及湍流度的分布.实验结果表明:供油压力不变时,同一个测量横截面内,随着径向距离x的增加平均速度和脉动速度呈凸形分布而湍流度呈下凹形分布;随着测点与喷口之间轴向距离z的增加,主、副油路共同工作时油滴的平均速度减小而脉动速度和湍流度增大.随着供油压力增加,油滴平均速度增加而湍流度减小.     

基于互相关的光流测速法在湍流热对流中的应用

同时准确地测量大尺度流动结构和小尺度湍流统计特性对于理解湍流的能量传递规律有着重要意义。尽管粒子成像测速（PIV）技术得到了广泛的应用，但由于算法原理的要求以及商用相机分辨率的限制，PIV技术在同时获取大、小尺度流动特性方面并不实用。另一方面，近年来逐渐引起关注的光流测速法虽然可以实现单像素分辨率的大区域速度场测量，但其准确性通常受限于应用场景而难以保证。本文采用一种基于互相关的光流测速法来分析RayleighBénard对流的粒子图像，进而同时获得全局速度场和小尺度湍流特性。结果表明，这种方法不仅可以获得与PIV技术一致的全局场和流动强度，还能有效地解析出湍流耗散区的速度结构函数。进一步的，分别基于速度结构函数和定义直接计算而获得的能量耗散率不仅在数值大小上互相吻合，还与直接数值模拟的结果以及理论预测相一致。这些结果表明基于互相关的光流测速法在同时测量大尺度流动结构和小尺度统计特性上有很好的应用潜力。     

含潜入喷管发动机尾部流场冷流模拟

为了揭示含潜入喷管的固体火箭发动机尾部流动特征,按照几何相近和气动相似原则设计了通道为矩形的二维冷流实验模型,利用相位多普勒粒子分析仪（ＰＤＰＡ）对燃烧室尾部气流的时均速度和湍流脉动速度进行了测量。实验结果表明气流在潜入喷管入口上发生分离,再附点位于喷管前端部外侧,背部空腔内形成一个较为稳定的回流区,流场的轴向和横向湍流强度都比较大。     

高强驻波声场中的湍流

反射端声压级高于140dB以后驻波管中的声流结构会发生明显变化。利用流动显示和LDV（Laser Doppler Velocimetry)技术对该问题进行了实验研究。流动显示结果表明，在160dB左右的高强驻波声场中随着旋涡结构的合并、破裂等现象的出现，声致流力有明显的湍流特性。LDV测量结果显示，随着驻波管中声压级的提高，一些测点的速度频谱明显加宽，出现高频速度脉动，而另一些点的速度频谱则没有显著变化。径向湍流强度测量结果显示，此时管中流动已是复杂的三维结构，而非轴对称的二维结构。     

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.     

测量三维流场及温度场的双热线多方位转动法

针对三维非等温湍流流场,本文开发了一种双热线多方位转动测量的新方法,它可同步测量三维湍流参数、动态温度场以及它们的脉动相关量。这不仅在热线测量技术新方法的开发上、具有极广泛的应用前景,而且为湍流基础实验和研究工作(如探讨湍流脉动关联关系的基础研究)的开展,提供了新的手段。     

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。     

改进S-A湍流模型对横向射流的CFD模拟

通过在Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型中加入应变率张量，来改善模型对横向射流(JICF)的计算精度。模拟了速度比分别为0.5和1.5工况下的横向射流。经实验值验证，结果表明:改进后的S-A模型预测精度有所提升；并对湍流模型改进部分对横向射流的作用机制做出了分析。将改进后S-A模型的计算结果与k-ε模型，雷诺应力模型(RSM)和大涡模拟(LES)的结果进行比较，发现S-A模型在速度比为0.5时精度最高，而在速度比为1.5工况下没有明显优势；并对这一现象做出了合理分析。      

直射式喷嘴喷雾特性的实验研究

用二维激光测速测粒仪,对直射式喷嘴在横向气流中所形成喷雾的粒度、平均和脉动速度,以及浓度进行了测量。研究了喷雾的结构,气流速度以及喷射方向对喷雾特性的影响,不同直径的粒子在横向的扩散。为两相流模型的研究以及数值计算结果的验证提供实验数据。