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。     

跨音速湍流边界层测量

 热线探头在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)FL-23跨超音速风洞中进行了校准。结果表明;热线过热比a_ω≥0.6时,密度灵敏度系数S_ρ基本不随a_ω变化;当a_ω=0.8时,在Ma=0.6～1.16范围内S_ρ基本不随Mach数变化。用校准后的热线探头测量了FL-23风洞试验段侧壁边界层的平均气流和脉动气流特性。平均气流特性与皮托管测得的结果一致性很好;速度脉动u′/和密度脉动p′/随距洞壁距离y的增加不单调减小。     

湍流边界层分离的实验研究

边界层的分离以及由此而引起的失速、壅塞等现象是十分重要的问题。这不仅因为飞行器及各种流体机械常因失速、壅塞等造成大的困难和损失,也还因为往往正是在失速和壅塞等产生之前这些机械有最好的工作状态。所以清楚地掌握流动分离的机理,有效地预测和控制分离就是十分重要,十分有实用价值的课题。多年来,许多研究家为此作了巨大的努力,并且在理论上和应用上都取得了相当可观的进展。边界层控制在飞机上的成功应用就是一例。然而,今天仍不能说,对边界层的分离已经很清楚了,特别是湍流边界层的分离,许多研究还刚开始走向深入。由于湍流本身的非定常、三维和随机的困难性、湍流边界层的分离就更具有它的无论理论上还是实验上都难以处理的特殊困难。     

民用飞机湍流边界层噪声分离技术的应用

为了获取特定巡航工况下飞机外表面湍流边界层噪声以及发动机噪声的频谱和声压级,在机体外表面安装表面声压传 感器进行测量,根据传感器数据之间的相干关系,采用湍流边界层噪声分离技术将湍流边界层噪声与发动机噪声从总的声载荷中 分离出来。采用Robertson模型计算与飞行试验相同的巡航状态下湍流边界层噪声频谱,并与飞行试验结果进行对比。结果表 明：在巡航状态下,对于机体外表面总的声载荷,湍流边界层噪声的贡献量大于发动机噪声的;在中心频率为20~10000 Hz时,采用 Robertson模型得到的湍流边界层噪声频谱与飞行试验结果的1/3倍频程谱曲线趋势较为吻合,总声压级相差约2 dB。试飞结果验 证了该噪声试验及分离技术具有良好的应用效果。     

湍流度对边界层转捩测量的影响

通过实验研究了气流湍流度对边界层转捩各种测量方法的影响,指出:随机信号均方根值法是检测边界层转捩较有效的方法。在转捩过程中随机信号均方根值变化较大且稳定。此外还研究了气流湍流度和不同频率的声波扰动对转捩区速度脉动均方根值分布的影响,指出:存在最大脉动均方根值,其位置在0.2δ高度附近,且不受湍流度和声波扰动影响。     

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。     

湍流边界层中脉动压力和脉动速度之间的相关测量

1.前言 最早的压力-速度相关测量是Kawamura和Serafini做的。随后,发表了许多壁面压力脉动与速度脉动相关和功率谱的研究结果,其中壁面压力脉动和速度脉动之间相关的详细结果是Willmarth和Wooldrige所提供的。 Bradshaw研究了急剧减速的边界层中壁面压力脉动和速度脉动的关系,他在逆压梯度边界层中发现了较低的对流速度。他还应用Townsend关于“非活动”(inactive)运动的重要概念来解释在逆压梯度中湍流壁面层相似性的明显破坏。     

周期性扰动对平板湍流边界层统计性质的影响

用IFA300热线风速仪和X形二分量热线探针精细测量了平板湍流边界层在施加不同频率的周期性吹吸扰动前后不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.在平板湍流边界层的固壁表面沿展向切割一条5 mm宽的窄缝, 在平板底部用扬声器从壁面向平板湍流边界层内施加不同频率的周期性吹吸扰动, 研究不同频率的周期性扰动在平板湍流边界层内发展演化的规律及对平板湍流边界层统计性质的影响.      

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，但无法描述分离枢的边界层速度型。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。     

MHD控制激波诱导湍流边界层分离的机理分析

为了研究磁流体动力学(Magnetohydrodynamics:MHD)加速边界层对激波-湍流边界层相互作用的影响,用高阶有限差分法求解了小磁雷诺数近似的MHD湍流方程。其中,无粘通量采用WENN格式离散、粘性通量采用Roe平均中心差分离散,时间采用半隐式推进,并采取追赶法求解。计算给出了湍流、电场、磁场和电导率等参数对边界层分离的影响,数值结果显示:在同样的逆压梯度下,湍流边界层分离能更快地趋于稳态流场,且分离区比层流小;通过施加洛仑兹力加速,边界层速度型面变得更加饱满、位移厚度减小、分离点和再附点向激波与固壁的交点靠近,分离区尺寸减小甚至最终被消除。     

激波/湍流边界层干扰物面剪切应力统计特性

为了揭示激波/湍流边界层干扰区内物面剪切应力统计特性的演化规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、12°激波角的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了研究。通过与风洞试验数据的比较分析,验证了计算结果的可靠性。系统地探究了干扰区内物面剪切应力的典型特征,如预乘谱、概率密度分布和相干结构等。研究结果表明,分离激波的低频振荡运动对流向及展向分量的预乘谱均没有实质影响,其脉动仍以高频特征为主,低频能量变化较小。干扰区内流向剪切应力概率密度函数分布变化剧烈,分离泡内对数正态分布规律不再适用,而展向剪切应力在干扰区内与正态分布较为接近。相较于上游湍流边界层,分离泡内物面剪切应力矢量夹角与幅值的联合概率密度变化显著,峰值概率降低,峰值范围增大。此外,流向剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,主能量模态与分离激波的低频振荡以及下游再附边界层内的Görtler-like流向涡结构密切相关。     

在三维湍流边界层中摩擦应力的测量研究

本文给出了V形壁面热膜测量物面摩擦应力的方法研究。实验表明该技术对三维湍流边界层中的摩阻测量是一类有效的方法。从本实验的数据可以看到,壁面热膜在二维湍流边界层中得到的校测函数能够直接用于三维湍流边界层的摩擦应力测量。     

可压缩湍流边界层近壁区马蹄涡的演化

采用大涡模拟方法对可压缩槽道湍流进行了数值模拟.通过给定扰动波方法确定进口边界条件,很快得到了完全发展的湍流.利用动态亚格子模型、预处理技术以及高阶格式和方法,得到了精确的数值结果.计算得到的速度剖面和脉动分量与直接数值模拟的解进行了对比,验证了计算结果的可靠性.结果清楚地展示了湍流场中马蹄涡的生成和演化过程,包括对称涡腿、单侧涡腿的马蹄涡结构,以及流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象.分析了湍流边界层近壁区可能出现的复杂的马蹄涡结构,及其涡结构形状也不严格对称的现象.     

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.      

三维激波／湍流边界层干扰产生的起始分离的预测

本文对由平板上直立尖劈产生的激波/湍流边界层干扰引起的起始分离进行了研究,提出了一种预测起始分离条件的方法。边界层内的分析采用了Johnston的三角形模型,边界层外主流分析则利用了Prandtl-Meyer函数。预测方法的结果表明与文献中的实验数据符合良好,而且比McCabe理论和Korkegi准则及Lu的半经验关系有更好的物理基础。     

后向台阶湍流边界层分离、再附及发展

应用激光测速仪对后向台阶湍流边界层分离、再附及发展进行了测量,得到时均流速、流向湍流度、平坦系数和偏斜系数等沿程分布。依据时均流速分布特性,得到分离区边界及再附点位置ｘ＿ｒ＝５．２ｈ＿ｓ（ｈ＿ｓ为台阶高度）,再附后湍流边界层恢复速度型相似的位置ｘ＿Ｔ＝１３．５ｈ＿ｓ。在详细分析湍流边界层区域时均及紊动特性的基础上,与光滑平板湍流边界层进行了比较。结果表明,除流速分布对数公式中积分常数较大外,无其它差别。此外,湍流边界层区存在尾流律,尾流参数π＝０．２９。     

湍流应力模式对计算有分离三维边界层的效果研究

为计算有分离三维边界层的特性，探索适用的应力模式，对无限展长的后掠翼（Ｘ＝３５°），选择了几种湍流应力模式进行计算，并对结果作了分析，所采用应力模式有代数模式，它包括常用的Ｃｅｂｅｃｉ－Ｓｍｉｔｈ（Ｃ－Ｓ）模式，Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ（Ｂ－Ｌ）模式、修正外区粘性系统的Ｃ－Ｓ模式修正形式以及北京航空航天大学近年研究的修正由压强梯度和湍能非平衡引起影响的模式，所采用的还有考虑壁面效应的低Ｒｅ数Ｋ－     

激波-边界层-分离流相互干扰三维湍流的数值模拟

本文采用数值方法求解时间相关三维可压缩雷诺平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组,模拟激波—边界层—分离流相互干扰三维湍流流动。湍流模型为Ｂａｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数模型,改进后用于三维内流问题。采用单元中心有限体积法离散流场控制方程,ＶａｎＬｅｅｒ矢通量格式计算无粘通量,中心差分法计算粘性通量,ＬＵＳＧＳ时间推进格式计算定常流场。本文以二元跨音速扩压器内三流动为算例,数值模拟较强激波—边界层—分离流相互干扰维湍流流动,并与实验结果进行了比较。数值模拟结果,在激波强度、分离点位置和再附点位置等方面,与实验结果吻合较好。     

湍流度和粗糙度对边界层转捩影响的研究

工程上计算边界层转捩位置,常用以线性稳定性理论为基础的e~N方法。实际上,层流边界层转捩受坏境因素(如湍流度T,粗糙度k和压力梯度等)影响较大。所以作为e~N方法的补充,须寻求一种能同时计算坏境因素影响的方法。现只有湍流模型方法能满足这种要求。