平板及减阻沟槽表面雷诺切应力的实验研究

利用二维LDV系统对零压力梯度下光滑面和减阻沟槽面湍流边界层流场进行对比测量.着重考察了相同流动条件下光滑面、沟槽面的槽及峰上部区域雷诺切应力的分布特性,并利用象限分析法研究了沟槽面对湍流边界层相干结构的影响.研究发现:减阻沟槽面槽峰增强了雷诺切应力水平,使其上部区域下扫事件的平均强度增强;而槽部则抑制了雷诺切应力水平,削弱了其上部区域下扫事件的强度;沟槽上部区域雷诺切应力水平的降低幅度高于槽峰上的增加幅度.由此可以认为:沟槽的抑制作用抵消了沟槽峰部的增强效果,使得近壁区内动量交换水平减弱,从而,减阻沟槽面的雷诺切应力在总体上表现为减小.     

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。     

展向不同间距壁面粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了壁面不同展向间距粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响.实验中粗糙元布置在氢泡丝前,其间距按如下两种排列设置:粗糙元直径的0、1和3倍,等间距1、2和4cm;每种情况粗糙元直径均为2.3、4和6mm.基于平均流速和水力直径的流动雷诺数从14000到48000变化.实验观测了光滑壁面和粗糙元壁面的近壁湍流拟序结构条带特征.发现:对于两种不同排列,相同雷诺数和相同粗糙元间距条件下条带有量纲间距均随着粗糙元直径增大而减小,条带有量纲高度均随粗糙元直径的增大而增大;相同雷诺数和相同直径粗糙元条件下条带有量纲间距均随着展向间距增大而增大,条带有量纲高度均随展向间距的增大而减小.粗糙元壁面湍流条带有量纲间距均比光滑壁面小,条带有量纲高度均比光滑壁面大.研究结果对近壁湍流的流动控制具有重要指导意义.     

贴壁二维方柱绕流对壁面摩擦应力的影响

利用TR–PIV与平行双丝热线,对平板边界层内的贴壁二维方柱绕流流场和壁面摩擦应力的关联进行了实验研究。主要关注方柱下游大尺度流动结构的运动对近壁面流向平均速度零点处摩擦应力的影响(基于方柱宽度与来流风速定义的雷诺数固定为1.1×10⁴)。研究表明,贴壁二维方柱绕流产生了2种典型的流动结构：一为向壁面靠近并接触壁面的近壁流动结构,本文称“I涡”;一为平行壁面沿流向运动的流动结构,本文称“Ⅱ涡”。Ⅰ涡、Ⅱ涡的出现改变了壁面附近流动速度的大小和方向,影响了测点壁面摩擦应力：增大了流向速度梯度,导致摩擦应力陡增;减小了流向速度梯度,导致摩擦应力锐减;改变了摩擦应力方向。本文研究结果可为理解表面冲蚀、污染物聚集、近壁面湍流耗散等问题的机理提供参考。     

液固两相湍流边界层相干结构的PIV实验研究

液固两相湍流是工业和工程中常见的流动状态,研究颗粒—湍流两相之间的作用规律和湍流调制的机理,对有效调控化工过程传热传质具有重要意义。采用粒子图像测速技术(PIV)对液固两相平板湍流边界层进行实验研究,分析在同一来流速度下加入固相颗粒和清水时水平板湍流边界层的平均速度剖面、湍流强度变化情况。通过空间局部平均速度结构函数和相干结构条件采样技术,提取并对比壁湍流相干结构"喷射"和"扫掠"事件的脉动速度、雷诺切应力以及展向涡量的二维空间拓扑形态。发现,同清水工况相比,湍流边界层缓冲层有变薄的趋势,对数律区内移,湍流强度和雷诺切应力均有所增强。相干结构在猝发时,脉动速度增强,雷诺切应力相对增大,展向涡量的发展受到促进,这表明实验中颗粒的存在使得湍流边界层中流体脉动增强,相干结构"喷射"和"扫掠"的强度相应增大,动量和能量的输运增强。     

圆柱绕流尾迹对壁湍流相干结构影响的实验研究

对边界层外区的圆柱尾迹流动结构对边界层近壁区相干结构的影响进行了实验研究.实验在低湍流度风洞中进行,将圆柱放置于yc≈1.1δ(δ为边界层厚度)处,利用热线风速仪分别测量了沿流向不同位置边界层内的瞬时脉动速度信号,并分别比较了位于x/d=1、2、3、4、5、10、15、20、30,y+=10~1000范围内的壁湍流相干结构条件相位平均波形及其统计特性.发现圆柱绕流尾迹对平板边界层内相干结构有明显的影响,圆柱绕流尾迹虽然使壁湍流相干结构从喷射向扫掠转变阶段的强度减弱,但壁湍流相干结构的发生概率增加,总体上促进湍流产生,使湍流边界层增厚,壁面摩擦切应力和壁面摩擦速度均增加,从而肯定了湍流边界层外层流动中产生的扰动与近壁区相干结构猝发的生成和发展有直接联系,壁湍流相干结构猝发是外区流动中产生的扰动与湍流边界层内区共同作用产生的这一结论.     

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。     

湍流边界层各向异性张量模式的实验研究

使用高时间分辨率粒子图像测速技术在水槽内精细测量平板湍流边界层内不同流向、法向位置的瞬时速度矢量空间场的时间序列信号.利用实验数据对湍流各向异性的涡黏张量模式进行了实验研究,给出了湍流边界层不可压缩槽道湍流中各向异性的涡黏张量各分量的空间分布规律.各向异性的涡黏张量分量的空间分布揭示了流向平均速度的法向梯度对雷诺应力三个分量的不同贡献.涡黏张量三个分量空间上的不同规律说明对涡黏张量的各向异性的考虑是合理的,而各向同性的涡黏模型不适宜描述剪切湍流雷诺应力的物理本质.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

圆柱尾流中眼镜蛇探针与热线的性能对比

在雷诺数为7200的圆柱尾流中对眼镜蛇探针与热线的测量结果进行了详细对比,主要包括:时均速度、雷诺应力、概率密度函数、自相关函数和能谱等。从对比结果可以发现眼镜蛇探针数据的拒绝率随湍流度增大而增大,但在本实验中其对时均测量结果无明显影响。尽管眼镜蛇探针数据有效率在95%以上,但相对于热线其明显高估了雷诺应力。尤其是主雷诺剪切应力u*v*,眼镜蛇探针与热线测量结果的差异要显著大于两者在雷诺正应力上的测量差异。由于无法反映高频随机脉动的影响,眼镜蛇探针所测信号自相关系数的周期性明显强于热线。眼镜蛇探针对速度u和v的响应存在区别,使得两者能谱在惯性子区内有显著差异,不能像热线一样反映出惯性子区内小尺度湍流的各向同性。     

局部粗糙边界层流中二维T-S波的非线性演化

采用局部喷、吸、喷与吸组合的结构来模拟局部粗糙壁面,通过数值计算获得了稳定的三维边界层基本流的数值解.在此基础上,研究了最不稳定的和稳定的二维扰动T-S波在时、空间演化过程中非线性问题;探讨了局部粗糙的形式、强度大小及分布结构对二维T-S波的非线性演化的影响及其对增长速率贡献的大小.数值结果表明,三维局部粗糙壁面诱导产生的基本流是扰动波得以增长的关键因素;最不稳定的二维扰动T-S波在非线性演化过程中,由于非线性相互作用的不断增强,逐渐诱导激发出三维扰动波及高次谐波,其三维扰动波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率大致相同.此外,展向速度的大小激励着二维扰动波的快速增长,随后发生初次失稳、流向涡形成、正负相间剪切层逐渐增强、诱导产生三维不稳定扰动波及高阶失稳等机制.上述结论与实验结果相吻合.     

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。