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.     

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     

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.     

用VITA法检测壁湍流喷射事件的归组问题

用子波分析和能量最大准则解决了ＶＩＴＡ法检测壁湍流猝发中的喷射事件的归组问题     

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(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．     

用子波变换检测壁湍流信号局部标度指数

本文用子波变换检测了刻画壁湍流脉动信号自相似性的局部标度指数，研究了不同尺度的湍流结构的自相似性，发现在湍流边界层猝发过程中，喷射和扫掠发生时刻小尺度脉动速度信号的局部标度指数为负值，说明在大尺度猝发事件发生的时刻小尺度结构具有奇异的自相似性，在猝发过程中其作用不仅仅是对湍能的耗散．     

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。     

基于单个压电振子的湍流边界层主动控制

利用安装在壁面上的单个压电振子周期振荡,采用开环主动控制方案,实现了对平板湍流边界层相干结构猝发的主动控制和壁湍流减阻.根据不同的输入电压幅值和频率,完成了10种工况的实验.在压电振子下游2mm处,用热线风速仪和迷你热线单丝探针,精细测量湍流边界层不同法向位置瞬时流向速度信号的时间序列,分析了在Re_?=2183压电振子振动对湍流边界层平均速度剖面、减阻率和相干结构猝发过程的影响.实验结果表明,施加控制的工况使平均速度剖面对数律层上移,产生减阻效果;压电振子振幅越大,减阻率越高,减阻效果越明显;通过对施加控制前后流向瞬时速度的多尺度湍涡结构脉动动能的尺度分析,当压电振子振动频率与壁湍流能量最大尺度的猝发频率相近时,减阻率达到最大,为25%,说明控制壁湍流能量最大尺度相干结构的猝发是实现壁湍流减阻的关键;通过对比相干结构猝发的流向速度分量条件相位平均波形,发现施加控制的工况中相干结构猝发流向速度分量的波形幅值明显降低,且流向速度在扫掠后期高速阶段迅速衰减,缩短了高速流体的下扫过程,说明压电振子的振动能抑制相干结构的高速流体下扫过程,减弱高速流体与壁面的强烈剪切过程,并使近壁区域相干结构的振幅显著减弱,迁移速度加快,从而减小壁面摩擦阻力.      

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.     

EXPERIMENTAL STUDY OF MEASUREMENT FOR DISSIPATION RATE SCALING EXPONENT IN HEATED WALL TURBULENCE

Experimental investigations have been devoted to the study of scaling law of coarse-grained dissipation rate structure function for velocity and temperature fluctuation of non-isotropic and inhomogeneous turbulent flows at moderate Reynolds number. Much attention has been paid to the case of turbulent boundary layer, which is typically the non-istropic and inhomogeneous trubulence because of the dynamically important existence of organized coherent structure burst process in the near wall region . Longitudinal velocity and temperature have been measured at different vertical positions in turbulent boundary layer over a heated and unheated flat plate in a wind tunnel using hot wire anemometer. The influence of non-isotropy and inhomogeneity and heating the wall on the scaling law of the dissipation rate structure function is studied because of the existence of organized coherent structure burst process in the near wall region . The scaling law of coarse-grained dissipation rate structure function is foun     

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     

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     

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。     

柔性壁面湍流边界层相干结构控制的实验研究

本文利用热膜测速技术对刚性壁面和柔性壁面湍流边界层的流向速度分量进行了实验测量,首先研究了柔性壁面对平均速度分布和湍流度分布的影响,结果表明:柔性壁面的边界层速度分布在对数律层向上有所平移,缓冲层加厚,具有一般的壁面减阻特征;而柔性壁的湍流度比刚性壁的湍流度要低,分布也更为平坦。然后综合运用自相关法和条件采样技术研究了湍流近壁区的相干结构,结果表明:刚性壁自相关曲线的第二峰值出现的时间比柔性壁的短,柔性壁的猝发频率比刚性壁的低许多。实验结果表明柔性壁面具有一定的减阻作用。     

利用子波分析对平壁湍流猝发现象的研究

利用槽道湍流直接数值模拟的数据库,采用子波分析的方法。对平壁湍流猝发现象的多尺度特性进行了研究,在不同惊讶上对猝发平均周期进行了统计,并利用局部标度指数研究了猝发过程的奇异性。     

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。