贴壁方柱湍流场TR-PIV实验研究

采用时变粒子图像速度场测试技术(TR-PIV),对低速循环水槽中贴壁二维方柱绕流湍流场进行了细致的测量.通过对实验得到的30000个连续瞬态速度场进行分析,得到了时均速度场和流线图谱,以及流向、法向速度分量的脉动强度场和涡量场.此外,对脉动速度时序信号进行谱分析,得到了流场中低频大尺度相干结构脱落频率.通过对瞬态速度场的分析,揭示了贴壁方柱绕流的旋涡脱落及其发展过程.     

不同相位壁面局部微振动诱导边界层大涡结构

以平板边界层Blasius解为基本流,利用直接数值模拟的方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了边界层中不同初始相位壁面局部微振动诱导大涡结构的过程。计算结果表明:壁面扰动初始相位为0或π,大涡结构的初始扰动速度场完全相反,初始相位为0时,大涡结构演化时无论其扰动速度幅值、高低速条纹结构,流向涡量均随时间的增加而增长,壁面平均切应力明显大于平板边界层流动,近壁平均速度剖面变得饱满;初始相位为π时,诱导形成的大涡结构较弱。壁面局部微振动可诱导边界层内形成大涡结构,大涡结构演化特性与局部微振动初始相位密切相关。     

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.     

槽道壁湍流的展向振荡电磁力减阻控制的PIV研究

壁湍流主要表现为条带和流向涡为主要特征的拟序结构和间歇性的湍流猝发事件,这些都会导致壁面阻力的增加,因此,为了实现减阻.需控制或消除壁面附近的流向涡进而抑制湍流的猝发.在该研究中,利用展向振荡电磁力对槽道湍流的近壁流向涡进行控制,以达到减阻的目的;并利用PIV测试系统对其进行了实验研究,讨论了这种电磁力的减阻效果及其减阻机理.结果表明:展向振荡电磁力具有减小壁面阻力的功能,其减阻机理为展向振荡的电磁力可以使条带倾斜,在流场中产生附加的负展向涡,导致近壁区域平均流向速度梯度的减小,因此,壁面阻力减小.     

弹性与后掠角对三角翼绕流结构的影响

为了研究低雷诺数下微小型飞行器布局的流动机理,在水槽中对展长/根弦长之比为0.5的一系列变弹性和后掠角机翼的绕流结构进行了氢气泡流动显示实验.结果表明,在低雷诺数条件下,流动结构变化规律如下:随着后掠角增大,弹性翼绕流遵循"Ω涡一对前缘涡一对前缘涡与双涡一对前缘涡、双涡与三涡一对前缘涡与双涡一对前缘涡"的变化规律,刚性翼绕流的涡结构变化规律与弹性翼相似,但不存在三涡结构.     

基于粒子追踪测速的壁面摩擦应力测量

采用微粒子追踪测速技术（Micro-Particle Tracking Velocimetry,μ-PTV）对近壁面的流场开展高空间分辨率测量,通过解析黏性底层的速度分布,应用一次线性回归计算得到壁面摩擦应力。测量了不同雷诺数（基于动量损失厚度 ）下的湍流边界层壁面摩擦切应力,在Re_θ =1200时获得了罕见回流事件的发生概率和流场结构。实验结果表明,采用μ-PTV技术可以实现壁面摩擦应力的准确测量,在Re_θ =1634～4070时,摩擦阻力系数测量误差小于2%。回流事件的概率极低,在Re_θ =1200时约为0.05%,尺度小于8×30个壁面单位,因此回流事件的测量对测量技术的空间分辨率要求较高;分析结果表明回流事件伴随壁面附近的强展向涡出现。     

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.     

三维扰动波在局部粗糙边界层中的稳定性研究

采用局部喷、吸、喷和吸组合来模拟局部粗糙壁面,数值计算获得稳定的三维边界层的基本流.在此基础上研究了三维扰动波在该基本流中的空间演化问题,讨论了局部粗糙的形式、分布结构对三维扰动波的幅值增长率及流动稳定性影响.计算结果表明:三维局部粗糙对三维扰动波的增长、涡的形成都起着激励的作用.扰动波演化产生的平均流修正及局部粗糙诱导展向速度的存在,影响着流体运动稳定性.与光滑壁面相比,三维局部粗糙作用下扰动波的传播角度与相位角发生明显变化,而不同形式的二维局部粗糙壁面边界层显示出不同的稳定特性.     

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。     

低雷诺数非细长三角翼绕流流动结构实验研究

通过水洞流动显示实验对低雷诺数非细长三角翼绕流流动结构进行了研究,特别是前缘剖面对50°三角翼绕流涡结构的影响及存在双涡结构时模型的最大后掠角.实验表明,双涡结构对染色液的注入位置很敏感,且这一双涡结构现象在64°三角翼绕流中仍可观测到;此外,前缘剖面形状严重影响涡破裂位置及涡核的空间分布.与迎风面倒角前缘相比,背风面倒角的三角翼易于产生双涡结构、可以推迟涡破裂并使涡核靠近模型上表面,进而有利于提高三角翼的气动特性.     

平板边界层参数水槽测量与仿真分析研究

利用LDV测试技术,在小型水槽中对零压力梯度的光滑平板边界层进行了平均速度剖面测量。利用测得的速度数据进行从壁面到对数律层尾区全壁面律的拟合求解获得壁面摩擦速度和其他边界层流动参数。在实验测量之外还开展了平板绕流CFD仿真分析,并将实验结果、仿真计算结果和平板经验公式计算结果进行比较。结果表明,基于LDV的全壁面律拟合求解平板表面边界层流动参数具有较高精度,结合仿真分析,可为利用平板开展水中MEMS壁面剪应力传感器标定提供理想的输入。     

圆柱绕流尾迹中涡量与温度标量的相平均分析

实验研究了圆柱绕流尾迹中的三维涡拓扑结构特性以及湍流动量、热量输运特性。利用8支热线和4支冷线相结合的三维涡量探针分别测量从x/d=10~40的速度和温度脉动,采用相平均方法将圆柱绕流尾迹中的大尺度相干结构提取出来,剩余部分包括中等尺度相干结构和随机结构。结果发现:在x/d=10处ωz 与ωx 的等值线具有很强的相似性;随着流向的发展,ωx 和ωy 两分量受到更多来自两涡之间的流向“肋”结构的影响而呈现相似特征,证明了涡结构的三维特性。由于受到来自展向涡和流向肋结构的共同作用,导致展向热输运w~*~θ*在不同位置表现不一样,正涡中的w~*~θ*受到流向肋的拉伸作用而沿着分形线朝着鞍点偏移;而负涡内的w~*~θ*由于受到展向涡的卷起使得w~*~θ*和~ω*z 形状相似。随着流向的发展,展向热输运移向涡边界处,对卡门涡内净热量传递到周围流体中有贡献。同时还发现相干结构对横向和展向热输运的影响很相似。     

迎角变化对细长旋成体绕流非定常压力脉动特征的影响

在亚临界流动范围内,通过对尖拱细长旋成体在无侧滑状态下的烟线显示和脉动压力测量试验,揭示了迎角α从0°向90°变化过程中细长体绕流依次经历了四种背涡流动结构:附着流动、对称二涡结构、非对称多涡结构和混合背涡结构.压力的脉动幅度在附着流动和对称二涡结构中沿轴向基本保持不变,在非对称多涡结构中是沿轴向增长的,而在混合背涡结构中却变为沿轴向减少.压力脉动频率值在非对称多涡结构中是沿轴向减少的,而在混合背涡结构中却是沿轴向增长的.     

横向振动方柱锁定区近尾迹结构

对雷诺数为150≤Re≤3600,振幅与柱宽比 A/h 为0.24和0.7条件下横向强迫振动单方柱的锁定现象、涡脱落过程和近尾迹特性,用流动显示和热线技术进行了研究,结果表明锁定区的范围随振幅比和雷诺数的增高而扩大,在大振幅比情况下,锁定区上、下临界折合速度值比小振幅比情况均有增高。流动显示结果清晰而系统地揭示了柱振动频率越过共振锁定点时,方柱上下两侧涡脱落规律发生的变化以及振幅的改变对近尾迹结构的影响。在低振幅比情况下,锁定区近尾迹结构基本为2S 型,在高振幅比情况下,由2S 型变为 P+S 型,这是非对称的尾迹结构,每一振动周期,从物体上脱落三个涡。在高频振动情况下,近尾迹由大尺度涡结构转化为小尺度涡结构。     

薄翼前缘涡绕流研究的某些进展

本文阐述了薄翼前缘涡绕流研究的某些近况和进展,包括翼前缘涡绕流的基本流动图象以及用面元法对可压缩流和非定常流的计算。     

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.     

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.     

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。