壁湍流相干结构的教学实验(八)─—用数字滤波法检测壁湍流相干结构

通过用三丝热膜探针测量湍流边界层的三个速度分量对壁湍流相干结构进行了实验研究，介绍了检测壁湍流相干结构的数字滤波法．     

壁湍流相干结构和减阻控制机理

剪切湍流中相干结构的发现是上世纪湍流研究的重大进展之一,这些大尺度的相干运动在湍流的动力学过程中起重要作用,也为湍流的控制指出了新的方向.壁湍流高摩擦阻力的产生与近壁区流动结构密切相关,基于近壁区湍流动力学过程的减阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力,但是随着雷诺数的升高, 这些控制方案的有效性逐渐降低.近年来研究发现, 在高雷诺数情况下外区存在大尺度的相干运动,这种大尺度运动对近壁区湍流和壁面摩擦阻力的产生有重要影响,为高雷诺数湍流减阻控制策略的设计提出了新的挑战.该文将对壁湍流相干结构的研究历史加以简单的回顾,重点介绍近壁区相干结构及其控制机理、近年来高雷诺数外区大尺度运动的研究进展,在此基础上提出高雷诺数减阻控制研究的关键科学问题.      

壁湍流相干结构的教学实验(五)──用子波分析辨识壁湍流相干结构

将子波分析作为一种新的工具来辨识壁湍流中的相干结构．用子波分析的方法对用热膜测速仅得到的壁湍流流向脉动速度信号在时域空间和频城空间同时进行分解,根据子波系教研究壁湍流脉动动能随尺度的分布,提出确定壁湍流的时间尺度参数的能量最大准则,提取壁湍流相干结构的速度信号波形．     

壁湍流相干结构的教学实验(三)--检测壁湍流相干结构的条件采样方法

用热膜测速仪测量水槽中平板湍流边界层,用条件采样方法中的ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法和ＶＩＴＡ法检测壁湍流相干结构的猝发过程,认识壁湍流相干结构猝发过程中的速度信号变化特征。     

壁湍流相干结构的教学实验(七)--用象限法检测壁湍流相干结构

介绍了检测壁湍流相干结构的ｕｖ象限分裂法。     

壁湍流相干结构的教学实验(三)─—检测壁湍流相干结构的条件采样方法

用热膜测速仪测量水槽中平板湍流边界展,用条件采样方法中的ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法和ＶＩＴＡ法检测壁湍流相干结构的猝发过程,认识壁湍流相干结构猝发过程中的速度信号变化特征．     

用自相关法确定壁湍流相干结构条件采样的门限值

研究了用条件采样方法检测壁湍流相干结构的门限值与壁湍流相干结构平均粹发周期检测结果之间的关系,根据用壁湍流流向脉动速度自相关函数检测壁湍流相干结构平均猝发周期的方法,提出了用自相关法确定壁湍流相干结构条件采样的门限值,从而检测壁湍流相干结构的方法     

壁湍流相干结构和减阻控制机理研究

剪切湍流中相干结构的发现是上世纪湍流研究的重大进展之一,这些大尺度的相干运动在湍流的动力学过程中起重要作用,也为湍流的控制指出了新的方向.壁湍流高摩擦阻力的产生与近壁区流动结构密切相关,基于近壁区湍流动力学过程的减阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力,但是随着雷诺数的升高,这些控制方案的有效性逐渐降     

壁湍流相干结构的辨识

本文评价了辨识湍流边界层近壁区域相干结构的条件采样法、自相关函数法、数字滤波法和子波分析法。结果表明：条件采样方法对门限值和平均窗宽等检测参数具有较强的依赖性，可以通过调整这些参数来选择最佳的参数值使得相干结构的误判概率达到最小。自相关函数法不需要任何参数就能够得出确定的结论，因此是一种比较客观的方法。但是，这种方法只能从统计上确定平均猝发周期，并不能实时地辨识相干结构。数字滤波法能够将湍流脉动信号分解为大尺度涡和近似各向同性的小尺度涡两部分，但是如何去掉大尺度信号中的非相干部分是仍然需要解决的问题。子波分析是分解湍流信号辨识湍流相干结构的有效手段，它能够将湍流信号在时域空间和频域空间进行双局部化分解，用能量最大准则确定相干结构对应的时间尺度参数，用子波逆变换提取相干结构对应的速度信号波形     

用偏倚缩减法检测壁湍流相干结构的时空尺度

提出了用偏倚缩减法计算壁湍流信号自相关函数,提高了自相关函数的计算精度。用壁湍流脉动速度的时间序列的自相关函数达到第二峰值对应的延迟时间检测壁湍流相干结构的平均周期。用槽道流直接数值模拟近壁区脉动速度自相关函数达到第二个峰值对应延迟长度检测壁湍流相干结构的空间平均尺度。     

壁湍流相干结构的教学实验(四)──用自相关法检测壁湍流相干结构的平均猝发周期

通过检测平板湍流边界层近壁区的流向脉动速度信号的自相关函数达到第二个峰值所对应的延迟时间,检测壁湍流相干结构猝发的平均周期．     

壁湍流相干结构的教学实验(四)──用自相关法检测壁湍流相干结构的平均猝发周期

通过检测平板湍流边界层近壁区的流向脉动速度信号的自相关函数达到第二个峰值所对应的延迟时间,检测壁湍流相干结构猝发的平均周期．     

固壁温度对壁湍流相干结构的影响

用半导体元件对平板进行加热，用ＶＩＴＡ法和ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法两种条件采样技术研究了固壁温度对湍流相干结构的影响，改进了Ｔｉｅｄｅｒｍａｎ等人提出的“归组”方法，并且用“归组”的ＶＩ－ＴＡ法和ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法研究了固壁加热对湍流猝发平均周期的影响．实验结果表明，固壁加热使得湍流脉动速度均方根值变大，条件采样检测到的事件数量增多，但猝发周期维持不变     

壁湍流相干结构的教学实验(一)──湍流近壁区相干结构的流动显示

用氢气泡流动显示方法对平板湍流边界层近壁区相干结构的猝发过程进行形象、直观的研究,仔细观察低速条纹的抬升－振荡－喷射－破碎以及高速流体扫掠的细节和完整过程。     

剪切湍流大尺度相干结构的模式研究

发展了一种计算剪切湍流大尺度相干结构的新模式．该模式的基础是认为大尺度相干结构为湍流场中流体脉动能量增长最快的那部分，且包含大部分的湍流脉动能量．在此基础上。通过对湍流相干能量方程的推演。建立了描述大尺度相干结构的特征控制方程，并应用Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ多项式方法求得湍流相干能量的最大增长率在波数空间的分布，从而获得对应的大尺度相干结构．应用该模式研究了槽流和一自然对流中的大尺度相干结构，得到的近壁区流动结构与实验现象十分接近．     

槽道湍流近壁区相干结构的数值模拟

从流动稳定性理论中的共振三波出发，采用类似湍流直接数值模拟中的最小单元概念，用伪谱方法，对槽道湍流近壁区的单个相干结构进行了数值模拟，得到了与实验基本一致的结果，同时也搞清楚了在谱方法中用Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ－τ方法和配置点法哪个更精确的问题。     

壁湍流相干结构的教学实验(四)——-用自相关法检测壁端流相干结构的平均猝发周期

通过检测平板湍流边界层近壁区的流向脉动速度信号的自相关函数达到第二个峰值所对应的延迟时间, 检测壁湍流相干结构猝发的平均周期.     

提取壁湍流相干结构的数字滤波法

以三丝热线探头测得平板湍流边界层的数据为对象，提出用数字滤波技术将湍流信号分解为接近各向同性的小尺度涡和非各向同性的大尺度涡的方法。并用条件采样技术从大涡信号中提取相干结构。     

吹吸扰动对壁湍流相干结构的影响

采用热线风速仪测量受吹吸扰动的壁湍流边界层的流向速度，用傅里叶变换和子波变换研究 吹吸扰动对壁湍流能谱的影响，结果显示施加的低频扰动使边界层内层大尺度结构的能量减 少，小尺度结构的能量有所增强，远离壁面时扰动强度逐步衰减直到在外层中消失；通过VITA 法和子波变换法检测猝发事件，表明该扰动降低了猝发强度，使猝发周期延长，条件平均速 度波形的幅值降低、持续时间变短，说明扰动明显抑制了相干结构的猝发过程. 利用子波变 换可以实现湍谱分析，能有效检测猝发中的湍流结构，是一种客观的分析工具.     

壁湍流多尺度相干结构复涡黏模型的实验研究

在湍流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的模型为涡黏性模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式.基于非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设.应用热线测速技术,在低速风洞中对湍流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位关系进行了实验测量.通过分析湍流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与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模型的合理性.