旋转圆柱绕流的PIV实验研究

投弃式海流剖面仪(Expendable Current Profiler,XCP)周围流场是典型的旋转圆柱绕流.探头周围流场对探头的运动状态起决定性作用,这直接关系到探头的测量性能,因此有必要对旋转圆柱周围流场进行实验研究.实验在循环水槽中进行,通过PIV对雷诺数保持不变(Re=1000)、不同圆柱旋转速度比(α=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0)的圆柱下游尾流场进行研究.通过选取不同旋转速度比的任一时刻的瞬态流场,来分析旋转对圆柱尾流结构的影响.为了获得流场的频率信息,对所获得流场信息进行能谱分析来获取涡旋的脱落频率,并进一步使用正交模态分解对流场进行分析,给出了流场主要拟序结构及其能量与转速比的变化趋势.发现圆柱旋转改变圆柱尾流结构,使尾迹尺度变小.在旋转速度比0≤α≤2.0时,存在明显的周期性涡旋脱落,并且涡旋脱落的频率有逐渐升高的趋势;而且当转速比2.0<α≤5.0时尾迹流场的周期性减弱,涡旋脱落变得不明显,流场表现出低频、剪切层的区域特征.随着转速变大,涡旋尺度变小.在较高旋转速度比时,流场中能量被重新分布.     

加齿调控个性化风口流场多尺度湍涡结构的实验研究

客机座舱个性化风口是座舱环控系统中重要的送风单元，其主要作用为快速通风、换热，对乘客的热舒适起到改善作用，但现有个性化送风常引起乘客头部的强烈吹风感。本文通过对现有个性化风口进行边缘加齿的优化设计，调控风口流场中不同尺度的湍涡成分，降低吹风感，从而获得使人体更为舒适的气流流场。实验中使用高时间分辨率热线风速仪，精细测量安装不同尺寸加齿喷嘴的风口流场，采用子波分析的方法对流场多尺度湍涡成分进行分析，对比不同尺寸大小的加齿喷嘴对个性化风口流场多尺度湍涡成分的调控效果，得出齿尖间距离为5mm时，个性化风口的送风使人体更舒适。个性化风口圆环射流经过加齿调控，增强了动量、能量和质量交换，降低了含能尺度的湍流强度，从而降低了吹风感，提高了流场的舒适性。     

沟槽对湍流边界层中展向涡影响的实验研究

壁湍流中的相干结构与壁面的高摩擦阻力密切相关，研究壁面纵向微小沟槽对展向涡的影响规律，有助于深入认识沟槽壁面的减阻机理。在自由来流速度控制在0.18m/s的水槽中（Re_τ=190），采用高时间分辨率粒子图像测速技术，测量光滑平板和沟槽板（s+=2h+=16.3）湍流边界层，分别获得了15998个瞬时速度矢量场。使用λ_ci识别展向涡，比较了2种壁面流动中不同法向位置处展向涡的数量、平均强度、平均尺度及各尺度展向涡所占的数量比例。结果表明:沟槽使近壁区顺向涡的数量减小，逆向涡的数量增大，并削弱了展向涡的强度；沟槽使近壁区小尺度顺向涡和中尺度逆向涡的比例增加，中尺度顺向涡和大尺度逆向涡的比例减小，使得近壁区顺向涡的尺度差异变小，对近壁区逆向涡的尺度差异几乎无影响；沟槽减小了对数律区小尺度顺向涡的数量比例，并增大了大尺度顺向涡的数量比例，对数律区逆向涡数量比例的变化规律和顺向涡正好相反。     

柔性锯齿形尾缘流动分离控制实验的多尺度相干结构研究

本文采用柔性锯齿形尾缘进行了流动分离控制风洞实验。利用高频响热线风速仪测量了翼型尾流场,结合瞬时强度因子迭代算法,在时域、频域提取出多尺度湍流相干结构,分析了弹性振动和柔性形变对扰动传播不稳定性的影响。实验结果表明:尾流中分离区厚度减小5%弦长,柔性锯齿形尾缘跟随来流自适应变形摆动,吸收了约20%的尾缘剪切层中的湍动能,产生的大尺度扰流涡持续传递至前缘剪切层,降低了很大范围低频带宽内的功率谱密度,具有良好的降噪效果;脱落涡中相干结构的振幅和发生频率显著削弱,对尾流分离区边界移动、大型涡包破碎和抑制传播的作用非常明显。     

囊腔液体受挤压和抽吸时内流场 PIV 实验研究

主动脉旁反搏装置作为治疗心力衰竭的心脏辅助装置,装置腔内的流场结构对装置的机理分析及优化设计具有重要作用。将主动脉旁反搏装置简化为液囊模型,利用粒子成像测速仪(PIV)对液囊内流场进行测量,选取3种液囊截面,每种截面取3种抽吸频率和3种吸气量,共27种工况,采用整体平均法对实验数据进行处理,得到了平均速度矢量图和湍流切应力图。结果表明:装置腔内流场主要是以旋转的形式存在,在装置进出口附近存在二次流动,而且进出口的位置对内部流场影响较大,同时进出口附近流体的动量交换较为强烈,呈现出较大的雷诺应力,另外进出口附近流体流动能够同步响应抽吸频率,且湍涡中心点随时间在不断地移动。     

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。      

超疏水表面对湍流边界层相干结构影响的TRPIV实验研究

湍流边界层中的相干结构是壁面摩擦阻力的主要来源。通过研究超疏水壁面对相干结构的影响，揭示其减阻机理。利用高时间分辨率粒子图像测速技术（TRPIV），分别对流速为0.165m/s的亲水壁面和超疏水壁面平板湍流边界层进行测量，得到了2种壁面瞬时速度矢量场的大样本时间序列。通过对比分析2种壁面的平均速度剖面和湍流度，得到了5.39%的减阻效果。通过二维空间两点相关函数的方法定义并提取相干结构，对比得到超疏水壁面能够有效减小相干结构流向尺度的结论。进一步采用λ_ci准则对发卡涡头进行识别，并以此为条件事件对其周围的脉动速度分布情况进行线性随机估计。结果表明:超疏水壁面能够有效削弱单个发卡涡头的强度，并且能够影响其周围发卡涡包结构的组织形式，整体减弱涡包下方近壁区低速流体质点的流向脉动，从而有效减小壁面摩擦阻力。     

湍流边界层大尺度相干运动的阵列TRPIV测量

使用高时间分辨粒子图像测速技术，研究湍流边界层中大尺度相干运动。由于大尺度运动的流向空间尺度与边界层厚度δ有关，因此沿流向排列4个高速相机进行拍摄，得到了约6.7δ×1.2δ的湍流边界层大视场，实验雷诺数Re_τ=422。针对流场中不同法向高度的流向脉动速度，采用沿流向方向进行空间小波变换的方法，得到不同空间尺度分量的脉动速度，并计算其占总流向脉动动能的比例，发现湍流边界层外区存在流向最大能量流向尺度，约为1δ。通过小波分解将湍流脉动速度场分为大尺度分量和小尺度分量。使用速度门限法，沿时间序列提取大尺度相干运动，利用泰勒冻结假设，将时间结构转化为空间结构，并与直接从空间得到的大尺度相干结构做对比。使用相位平均法测得大尺度相干结构的几何形态，发现从时间维度和直接从空间维度得到的喷射事件的流向尺度相近，而直接从空间提取的扫掠事件要比从时间提取的大。结果表明：流场中1δ尺度左右的大尺度运动是湍动能的主要贡献者；利用泰勒冻结假设可以从时间中提取出大尺度相干结构，与从流场空间直接提取的结果有着良好的一致性。