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.     

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．     

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     

用子波分析能量最大准则修正检测壁湍流猝发的mu-level法

将壁湍流脉动速度信号子波分析技术引入壁湍流相干结构猝发检测的研究,基于子波分析能量最大准则确定相干结构猝发的时间尺度,对能量最大时间尺度的子波系数进行子波逆变换,获得能量最大时间尺度的脉动速度信号。根据其自相关函数的波长确定相干结构的平均猝发周期;根据能量最大时间尺度的子波系数的正极大值和负极小值检测壁湍流喷射和扫掠事件,获得壁湍流相干结构喷射和扫掠事件的相位平均波形。该方法可以不需要确定门限值,有效排除了小尺度脉动的干扰。     

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     

用自相关法检测壁湍流的平均猝发周期

本文通过研究湍流脉动速度信号的自相关函数，提出了用自相关函数检测壁湍流平均猝发周期的方法。     

壁湍流猝发过程中速度分量的相位差对雷诺应力影响的实验研究

用IFA300恒温热线风速仪和×形二分量热线探针,以采样间隔小于最小湍流时间尺度的分辨率,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、展向速度分量的时间序列信号.用子波分析辨识壁湍流相干结构猝发事件的能量最大准则,确定壁湍流相干结构猝发事件的时间尺度;用条件相位平均技术提取了相干结构猝发过程中流向、展向脉动速度分量条件相位平均波形,用互相关方法研究了相干结构猝发过程中流向、展向脉动速度分量条件相位平均波形的相位差关系及其对雷诺应力的影响,发现在缓冲层和对数律区,展向脉动速度与流向脉动速度的条件相位平均波形具有不同的相位;当两者相位基本一致时,雷诺应力达到正的最大值,此时湍流相干结构的产生非常活跃;当两者相位差分别集中在90°和270°附近时,雷诺应力的幅值减小并接近于零,此时湍流相干结构的产生和猝发都得到了抑制.     

用自相关法确定VITA法的门限K

研究了用ＶＩＴＡ条件采样方法壁湍猝发的门限值与壁湍流猝发平均周期之间的关系,根据用壁湍流流向脉动速度自相关函数检测得到的壁湍流猝发平均周期,确定壁,湍猝发ＶＩＴＡ条件采样的门限值Ｋ。     

TRPIV MEASUREMENT OF DRAG-REDUCTION IN THE TURBULENT BOUNDARY LAYER OVER RIBLETS PLATE

采用高时间分辨率粒子图像测速技术对沟槽壁面平板湍流边界层速度矢量场的时间序列及其统计量进行了实验测量,讨论了在同一来流速度下沟槽壁面对平均速度剖面﹑雷诺切应力及湍流强度的影响. 用流向速度分量的多尺度空间局部平均结构函数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠事件的脉动速度、展向涡量的二维空间拓扑形态. 结果表明,与同材料光滑壁面对比,沟槽壁面实现了10.73%的摩阻减小量;沟槽壁面湍流边界层湍流强度及雷诺切应力皆比光滑平板湍流边界层对应统计量小,说明沟槽壁面有效降低了湍流边界层内流体的脉动. 通过比较壁湍流相干结构猝发事件各脉动速度分量与展向涡量的空间分布特征,肯定了沟槽壁面的减阻效果,发现沟槽壁面通过抑制相干结构猝发事件实现减阻.     

子波分析辨识壁湍流猝发事件的能量最大准则

用子波分析的方法，对用热膜测速仪得到的平板湍流边界层中流向脉动速度信号，在时域空间和频域空间同时进行时频双局部化分解．用子波系数研究了壁湍流脉动动能随尺度的分布，提出了确定壁湍流猝发事件时间尺度参数的能量最大准则，用子波逆变换得到了猝发事件对应的速度信号波形     

壁面加热湍流相干结构的实验研究

用热线风速仪测量了风洞中壁面加热平板湍流边界层不同法向位置的流向脉动速度,用条件采样方法中的m-u-level法和VITA法研究了壁面加热对壁湍流相干结构猝发条件平均波形的影响,发现壁面另热能够提高猝发强度,缩短喷射时间,使一次猝发中出现多次喷射事件的现象明显增多,增强猝发的间歇性。     

用子波分析修正检测壁湍流猝发的VITA法

应用壁湍流脉动速度信号子波分析的一系列方法对检测壁湍流猝发事件的VITA法进行了修正。其中,用能量最大准则确定VITA法短时间平均周期;以子波变换能量最大尺度脉动速度的短时间平均方差的局部极大值点作为检测函数的中心点,取代了传统VITA法中对短时间周期平均方差选用门限值的方法,避免了VITA法检测结果对门限值的主观经验依赖性,提高了VITA法检测壁湍流猝发事件的客观性和准确性。     

固体颗粒对沟槽湍流边界层影响的实验研究

本文采用粒子图像测速技术(particles image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板湍流边界层中的平壁和沟槽壁面减阻效果的影响. 实验对清水和加入粒径为155 μm聚苯乙烯颗粒的流法向二维速度场信息进行采集, 对不同工况下的平均速度剖面、雷诺应力和湍流度等统计量进行对比, 分析流体在边界层中的行为. 运用空间局部平均结构函数提取了不同工况湍流边界层喷射?扫掠行为的空间拓扑结构并进行比较. 结果发现, 在不同的壁面条件下, 粒子加入后的对数律区中无量纲速度均略大于清水组, 雷诺切应力有所降低, 湍流度有所减弱. 对于不同流场速度下的沟槽而言, 颗粒的加入均降低了壁面附近的阻力, 而颗粒单独作用于光滑壁面的减阻效果并不明显. 加入粒子后的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度下降. 沟槽壁面附近的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度在自由来流速度较大时有所上升, 在速度较小时有所下降. 这表明不同减阻状况下的沟槽均能将大涡破碎成更多的涡, 并且粒子的加入强化了这种破碎作用.      

Burst event detection in wall turbulence by WVITA method

Wavelet Variable Interval Time Average (WVITA) is introduced as a method incorporating burst event detection in wall turbulence. Wavelet transform is performed to unfold the longitudinal fluctuating velocity time series measured in the near wall region of a turbulent boundary layer using hot-film anemometer. This unfolding is both in time and in space simultaneously. The splitted kinetic of the longitudinal fluctuating velocity time series among different scales is obtained by integrating the square of wavelet coefficient modulus over temporal space. The time scale that related to burst events in wall turbulence passing through the fixed probe is ascertained by maximum criterion of the kinetic energy evolution across scales. Wavelet transformed localized variance of the fluctuating velocity time series at the maximum kinetic scale is put forward instead of localized short time average variance in Variable Interval Time Average (VITA) scheme. The burst event detection result shows that WVITA scheme can avoid erroneous judgement and solve the grouping problem more effectively which is caused by VITA scheme itself and can not be avoided by adjusting the threshold level or changing the short time average interval. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19732005) and the National Climbing Project of China     

Velocity statistics along the stagnation line of an axi- symmetric stagnating turbulent flow

 Velocity statistics along the stagnation line of an axi-symmetric wall stagnating turbulent flow are studied experimentally. A low turbulence, uniform air flow from a nozzle type air supply with an exit diameter of 50 mm stagnates at a wall located 50 mm downstream. A flow velocity is set to 3 m/s, 10 mm downstream from the exit of the air supply. Instantaneous values of streamwise and radial velocities are measured by laser-Doppler velocimetry. The turbulence level in the air flow is changed by use of turbulence generator. When the turbulence generator is not installed in the air supply, the mean velocity profile in the streamwise direction fits well with that of a laminar viscous flow with the rms value of velocity fluctuations low near the wall. With the turbulence generator installed, a significant turbulence structure appears near the wall. When the wall is approached, the rms value of velocity fluctuations in the streamwise direction decreases monotonically while the profile of the rms value in the radial direction reaches a maximum near the wall. The increase in the rms value of velocity fluctuations in the radial direction near the wall is attributed to the bi-modal histogram of the fluctuating velocity in the radial direction. Near the wall, the instantaneous stagnation streamline fluctuates and the probability of the mean location of the stagnation point reaches a maximum not at the stagnation line but on a circle around the stagnation line, resulting in the bi-modal histogram. Turbulence statistics, the rms value of velocity fluctuation and the turbulent kinetic energy, can be normalized successfully by similarity parameters based on the strain rate and the reference turbulent kinetic energy introduced by Champion and Libby. Received: 7 April 1995/Accepted: 27 September 1996