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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响

本文对有逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响做了较为仔细的测量,做了边界层内平均速度分布、壁面摩擦系数、压力梯度、边界层内三个方向脉动速度以及脉动总压的测量。试验结果指出:自由流湍流度的增加可大大削弱逆压力梯度对湍流边界层的不利影响,可使边界层速度分布饱满,尾迹强度减弱,从而延迟边界层分离。试验还首次得出自由流湍流度的增加可使边界层内的速度脉动和压力脉动分布均匀以及流动趋于稳定,因而可同时改善扩压器出口的静、动态特性。     

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。     

用PIV实验研究边界层内结构函数标度律

湍流标度律的变化情况显示了湍流边界层内的流动状况.利用高分辨率、高帧率的粒子图像测速技术(PIV)对平板湍流边界层进行了实验研究.研究结果显示,当脉动速度增量结构函数的阶数为正整数且逐渐增大时,由实验所得的脉动速度增量结构函数的标度指数逐渐偏离K41和SL标度指数,出现奇异标度律;而当结构函数的阶数为正分数时,实验所得的标度指数和K41及SL标度指数较为接近;当结构函数的阶数由0趋向于-1时,实验的标度指数明显偏离K41和SL标度指数,出现奇异标度律.这也说明了用低阶结构函数的标度指数也能说明标度律的奇异性及边界层内存在间歇性.对于法向速度增量和涡量分量来说,不管结构函数的高阶或低阶的标度指数都不随壁面位置的不同而改变,具有普适性.     

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.     

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...     

微型涡流发生器对超临界翼型减阻机理实验与数值分析

针对安装在超临界翼型后部的微型涡流发生器减阻问题,先用风洞实验测出微型涡流发生器对超临界翼型升阻特性的影响,然后采用RANS方程和κ-ε湍流模型进行数值模拟,分析安装在超临界翼型后部的微型涡流发生器减阻原因。研究发现:微型涡流发生器使下游近壁面处低能气体向上卷起与外层高能气体掺混,近壁面平均湍动能增加、翼型后部脉动压强增大,压差阻力减小;湍流应力由速度梯度、湍流粘性系数和脉动压强共同决定,虽然气流掺混,弦向速度法向梯度减小、湍流粘性系数减小,但展向速度法向梯度和脉动压强增大,湍流应力增大,摩擦阻力增大;微型涡流发生器尺寸很小,完全浸没于附面层内,仅掺混与它高度相当的附面层内流体,对附面层厚度影响小,对翼型升力影响小。     

湍流边界层近壁区马蹄涡拟序结构的数值模拟与分析

采用大涡模拟对低雷诺数槽道湍流进行了数值模拟,进口边界条件采用了给定扰动波方法,经过短过渡段得到完全发展湍流.计算中采用了动态亚格子模型和预处理技术,进口采用的动量厚度雷诺数是670.大涡模拟对计算得到的平均速度剖面以及脉动分量与DNS解进行对比,验证了计算结果的可靠性.计算结果显示了湍流场中马蹄涡的形成及演化过程,其中包括形成单腿马蹄涡和形成对称涡腿的马蹄涡,同时发现流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象,并在此基础上分析了湍流边界层近壁区马蹄涡结构的演化.     

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.     

基于小波分析的缩减湍流数据采集量的新方法

由于湍流实验的数据采集量的大小通常没有准则,实验中为了降低偶然事件的影响通常都使用较大的数据量,从而在数据的采集、存储和后处理过程中都造成资源和时间的浪费.笔者根据小波分析所具有的良好的时频双局域性的特点,在文献[4,5]的基础上,配合统计学方法,在理论上提出了以小波方法缩减湍流实验数据采集量和某些流场计算方法计算量的方法.以使用小波方法分析湍流边界层的湍动能方法为例,证明了这种方法的合理性和可行性.     

壁湍流调制雷诺应力和拟序结构应变率空间形态的层析PIV实验研究

采用高时间分辨率的层析PIV技术,测量了水洞壁湍流三维速度分量空间分布的时间序列,应用局部平均速度结构函数概念对流向速度信号进行多尺度分解,以流向速度分量的局部平均速度结构函数过零点作为特征量检测壁湍流中拟序结构猝发的喷射和扫掠过程,应用空间相位平均技术提取拟序结构猝发的喷射和扫掠过程各速度分量、涡量分量、拟序结构速度应变率分量以及调制雷诺应力分量的空间相位平均拓扑形态.为了引入平衡态涡粘模型假设模拟调制雷诺应力,研究了拟序结构猝发过程中调制雷诺应力分量和速度变形率分量的空间分布形态,发现两者之间的空间相位分布不一致.由于存在时空相位不同步性,说明需要考虑大尺度拟序涡结构引起动量传递的时空弛豫效应.应用经典的线性平衡态下的Boussinesq涡粘模型不能准确地描述壁湍流拟序结构动量传递非平衡现象的物理机理.对于壁湍流拟序结构动力学方程中调制雷诺应力的模拟,应采用包含时空相位信息的复涡粘张量模型.由于雷诺应力与速度变形率的时空不同步性,对非平衡非局部湍流场的数值模拟提出了一个挑战性的问题,建议采用包含相位信息的复涡粘张量模型来模拟雷诺应力张量,从而更加符合雷诺应力演化的物理机理,这一模型有可能成为一个很有发展前景的封闭模型,从而更加准确地预测工业领域中广泛存在的非平衡湍流.     

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。