剪切水气界面下湍流特性的实验测量

通过实验研究了受气流剪切但无明显波动的水气界面下的湍流特性。当界面剪切较强(uτ≥0.20cm/s)时,水面边界层中平均流速、速度脉动强度和Reynolds切应力的分布形状与固壁湍流相似,预示剪切水气界面和固壁附近的湍流相干结构是相类似的。另一方面,水面湍流也表现出不同于固壁湍流的细节特征。与自由面湍流不同的是,在靠近剪切水气界面的流场中流向和垂向速度脉动同时受到抑制。     

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。     

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.     

激波管壁面边界层脉动特性的分析与计算

本文分析了激波管壁面湍流边界层脉动压力的强度、脉动压力的频率特性及共传播与衰减特性,给出了这些特性的计算方法。通过算例说明了②区和③区壁面脉动压力的强度及其频率随激波马赫数的变化规律,并讨论了壁面脉动对激波管气流品质的影响。     

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.     

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.     

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...     

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。     

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。     

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。     

不同湿度下的云雾-不饱和空气湍流混合实验研究

本实验设计建造了一个80×80×100cm3的室内云雾腔,对不同环境湿度下的云雾-不饱和空气混合过程的湍流特征进行了实验研究,利用 PIV 技术,获得了混合过程中的速度场,得到了湍动能、脉动速度二阶结构函数、泰勒微尺度等物理量。结果表明:该实验测得的湍流泰勒微尺度为 mm 量级;云雾-不饱和空气混合过程的脉动速度场表现出明显的各向异性,随着不饱和环境湿度的增加脉动速度概率密度函数在尾部越来越偏离标准高斯分布;横向结构函数和纵向结构函数比值明显偏离基于均匀各向同性湍流的理论值。     

基于电流监测法的粗糙表面微通道电渗流实验研究

制作2种 PMMA 微流控芯片,对其微通道内表面参数进行测试。基于电流监测法,设计微流控芯片电渗流检测系统。首先测量光滑微通道电渗流速度,验证了实验的可行性,并可以预测微通道的表面电势;然后对粗糙微通道电渗流进行测量;最后对比分析电场强度、溶液浓度等对光滑和粗糙微通道电渗流的影响。结果表明:(1)不规则粗糙表面微通道电渗流速度随电场强度、溶液浓度的变化规律和光滑表面微通道一致;(2)相对于光滑表面微通道,粗糙表面微通道电渗流速度明显降低;当相对微通道深度为5%时,降低幅度约为23%。(3)随着电场强度或者溶液浓度的增大,粗糙和光滑微通道电渗流速度的差距增大。所用实验方法具有直观、方便和成本低的优点。     

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.     

有植被明渠纵向流速垂向分布特性的PIV试验分析

有植被河道水流的流速分布是确定植被河道阻力和过流能力的基础.在室内矩形断面水槽中模拟了有树桩存在的河流环境,采用粒子图像速度仪(PIV)测量了同一流量情况下,非淹没及淹没刚性植被稳恒流纵向流速垂向分布.试验结果表明矩形断面非淹没刚性植被水流时空平均纵向流速垂向分布符合"J"形分布,淹没刚性植被水流时空平均纵向流速垂向分布符合"S"形分布,植被中不同位置垂线的时均纵向流速分布不同.笔者给出的流速资料可作为植被水流数值模拟对比的参考.     

LEBU湍流减阻的展向扩展实验研究

利用大涡破碎器（ＬＥＢＵ）测量和考察了跨越平板湍流表面边界屋的速度型和动量厚度沿展向的分布，结果表明，ＬＥＢＵ的存在有可能扩大了层内流动参数沿展向的非均匀性；此外，还介绍了一个两对反向旋转的纵向涡模型，真实存在于风洞的横截面上，影响了展向非均匀性。使用本文介绍的一种沿展向非均匀性处理方法，对表面湍流摩阻估算的结果与使用摩擦阻力天平直接测量的结果基本一致。     

伴有滑动床的水砂浆体倾斜管道流动研究

为进一步研究伴有滑动床的倾斜浆体管道砂颗粒输送规律，应用力平衡理论，研究了悬浮层、滑动床层速度以及滑动床厚度求解方法，由此给出了倾斜管道淤积临界速度迭代求解方法。同时，应用悬浮层剪应力线性分布假设，并借助普朗特经验公式，给出了滑动床上方速度分布模型。粗砂管道水力输送实验数据表明:（1）淤积临界流速与颗粒粒径和输送浓度负相关，输送浓度不变时，淤积临界流速与管道倾角大小正相关。与模型计算结果对比表明淤积临界速度计算值和实测值最大偏差为13%；（2）随着管道倾角增加，最大速度点位置有向上偏移的趋势。与计算结果对比表明上层速度分布理论模型计算值和实测值偏差不超过10%。结果表明力平衡理论和剪应力线性分布假设能够较好地用于伴有滑动床的倾斜粗砂浆体管道淤积临界速度和滑动床上方速度分布预测研究。     

湍流边界层的湍流参数测量和研究

利用DANTEC三维激光多普勒测速仪对水槽壁面边界层的湍流参数进行了测量和分析，并与经典实验曲线做了比较。同时就摩擦速度的计算与涡粘系数的分布曲线展开了讨论。