FLOW STRUCTURE IN THE TURBULENT BOUNDARY LAYER OVER DIRECTIONAL RIBLETS SURFACES

本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,对零压力梯度光滑以及汇聚和发散沟槽表面平板湍流边界层统计特性和流动结构进行了研究.结果表明在垂直于汇聚和发散沟槽表面的对称平面内,相对于光滑壁面,发散沟槽壁面使当地边界层厚度、壁面摩擦阻力、湍流脉动、雷诺应力等明显减小;而汇聚沟槽壁面对湍流边界层特性和流动结构的影响正好相反,汇聚沟槽使壁面流体有远离壁面向上运动的趋势,因而导致边界层厚度增加了约43%;同时,在汇聚沟槽表面情况下流向大尺度相干结构更容易形成,这对减阻是不利的.此外,顺向涡数量在湍流边界层的对数区均存在一个极大值,发散沟槽表面所对应的极大值位置更靠近沟槽壁面,而在汇聚沟槽表面则有远离壁面的趋势,由顺向涡诱导产生的较强的喷射和扫掠运动会在湍流边界层中产生较强的剪切作用,顺向涡数量的减少是发散沟槽壁面当地摩擦阻力降低的主要原因.     

沟槽方向对湍流边界层流动结构影响的实验研究

本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,对零压力梯度光滑以及汇聚和发散沟槽表面平板湍流边界层统计特性和流动结构进行了研究.结果表明在垂直于汇聚和发散沟槽表面的对称平面内,相对于光滑壁面,发散沟槽壁面使当地边界层厚度、壁面摩擦阻力、湍流脉动、雷诺应力等明显减小;而汇聚沟槽壁面对湍流边界层特性和流动结构的影响正好相反,汇聚沟槽使壁面流体有远离壁面向上运动的趋势,因而导致边界层厚度增加了约43%;同时,在汇聚沟槽表面情况下流向大尺度相干结构更容易形成,这对减阻是不利的.此外,顺向涡数量在湍流边界层的对数区均存在一个极大值,发散沟槽表面所对应的极大值位置更靠近沟槽壁面,而在汇聚沟槽表面则有远离壁面的趋势,由顺向涡诱导产生的较强的喷射和扫掠运动会在湍流边界层中产生较强的剪切作用,顺向涡数量的减少是发散沟槽壁面当地摩擦阻力降低的主要原因.     

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.     

纵向沟槽壁面湍流边界层内类开尔文-亥姆霍兹涡结构的流动显示

纵向沟槽壁面的湍流边界层,当沟槽的脊-脊内尺度无量纲展向间距s+ 在一定范围内,与光滑壁面湍流边界层相比,具有减阻效应;并在s+ 约为17 个黏性长度单位时减阻效果达到最优,之后其减阻趋弱,直至增阻;其原因可能是沟槽壁面湍流边界层由于“开尔文-亥姆霍兹” 不稳定性而产生的一种“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡结构. 实验采用烟雾流动显示技术,首次在风洞中显示了这种“类开尔文-亥姆霍兹” 展向涡结构,确认了其存在性,并在概念上简单勾勒了其结构模型.      

脊状表面减阻特性的风洞试验研究

利用热线风速仪,对光滑表面和多个脊状表面在低速风洞中进行了表面流场测试。基于测得的边界层速度分布数据,利用对数律区速度分布公式,编程分别计算出光滑表面和脊状表面的壁面摩擦速度和虚拟原点。研究发现,脊状表面最大减阻量达13．5％;有减阻效果的脊状表面使边界层速度曲线上移、湍流强度下降;与光滑表面相比,脊状表面的位移厚度和动量损失厚度明显减小,也表明脊状表面具有减阻效果;位移厚度和动量损失厚度减少量随槽间距s^＋的增加呈现先变大后变小的趋势,在S^＋=12时达到最大。     

沟槽面与光滑面湍流边界层特性比较

应用ＬＤＶ技术对沟槽面及光滑面湍流边界层流速和湍流度分布进行了精细的测量，实验结果表明：与光滑面相比，沟槽面湍流边界层时均流速分布对数公式中具有较大的积分常数Ｃ值，且沟槽面湍流度最大值较小，但其出现的位置距壁面较远。另外，偏斜因子及平坦因子的分布特性区别不大，但是在近壁区内沟槽面结果波动较大。     

大型运输机的减阻技术

回顾了到目前为止可能用在大型飞机上的相关减阻技术,从三个方面(减小摩擦阻力、降低诱导阻力、减小激波阻力)详细介绍了多种减阻技术的方法和原理.其中减小摩擦阻力分成层流减阻和湍流减阻两个部分.层流减阻中吸气控制方法、湍流减阻中沟槽壁面控制方法、翼梢小翼技术、激波鼓包技术等都有可能成为改进新一代大型运输机阻力特性的实用技术.粗糙阵列、等离子体激励器、动态控制三维鼓包等新技术也为减阻技术的实际应用提供了新的可能性.     

DRAG REDUCTION TECHNIQUE FOR LARGE TRANSPORT AIRCRAFT

回顾了到目前为止可能用在大型飞机上的相关减阻技术,从三个方面(减小摩擦阻力、降低诱导阻力、减小激波阻力)详细介绍了多种减阻技术的方法和原理. 其中减小摩擦阻力分成层流减阻和湍流减阻两个部分. 层流减阻中吸气控制方法、湍流减阻中沟槽壁面控制方法、翼梢小翼技术、激波鼓包技术等都有可能成为改进新一代大型运输机阻力特性的实用技术. 粗糙阵列、等离子体激励器、动态控制三维鼓包等新技术也为减阻技术的实际应用提供了新的可能性.     

暖季强降雨对多年冻土南界斜坡路基稳定性影响分析

为阐明表面活性剂水溶液的减阻作用,使用LDV对零压梯度的二维湍流平板边界层中的CTAB 表面活性剂水溶液的湍流特性进行了实验研究. 结果表明：与牛顿流体相比,CTAB水溶液边 界层的粘性底层增厚;主流时均速度分布有被层流化的趋势,对数分布域上移;主流方向速 度湍动强度峰值减小,且远离壁面,在靠近边界层中部,出现第2峰值;垂直于主流方向的 速度湍动强度受到了大幅度抑制,雷诺应力沿着边界层厚度方向几乎为零. 结果说明CTAB 水溶液具有减弱湍流湍动各个成分相关度的作用,从而能够使雷诺应力降低、湍流能量生成 项减小最终降低流体的输送动力.     

湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展

快速游动的鲨鱼, 其皮肤表面沿流动方向有序地排列着沟槽状结构, 人们认为这种结构能在湍流流动 中减小表面摩擦阻力. 人们仿真这种生物结构来进行实验研究和应用, 通过复制和改善鲨鱼皮肤表面沟槽状 结构, 使得摩擦阻力最大减小了近10%. 在实验和模拟仿真中, 人们不断讨论和研究湍流流动阻力的形成机制 和沟槽减阻的理论特性. 本文综述了沟槽减阻理论特性的一些研究方法, 并且归纳定义了沟槽减阻最优几何 形状及其尺寸; 详细考虑流体流动的特点, 给出了一种用来选择最优沟槽形状及其尺寸的方法; 综述了目前的 沟槽加工制造技术. 由于鲨鱼皮肤表面存在少量黏液, 从仿生学的角度, 文章最后综述并展望了通过局部应用 疏水性材料来改变沟槽附近流场属性, 从而达到更大程度上减小阻力的目标.      

Spalding公式在脊状表面湍壁摩擦力测量中的应用

在低速风洞中来流速度一定的情况下使用IFA300恒温热线风速仪测量了光滑表面和两种不同尺寸的脊状表面湍流边界层平均速度分布剖面,并验证了试验段湍流发展的充分性;通过应用Spalding壁面公式使用最小二乘法精准拟合了实验测量的边界层内层速度分布曲线,得到了湍流边界层壁面摩擦速度并进一步求得湍流壁面摩擦应力,较准确地计算出脊状表面的虚拟原点位置,并通过与对数律公式拟合结果比较分析,证实了该方法更加准确有效. 最后分别计算了3种实验模型的湍流边界层动量损失厚度. 通过对比脊状表面与光滑表面动量损失厚度和壁面摩擦应力,反映了动量损失厚度的大小与壁面摩擦应力的大小具有一致性,充分证实了脊状表面在湍流中具有一定的减阻效果.      

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.      

超疏水沟槽表面通气减阻实验研究

减阻是解决航行体提速和增程的主要技术途径之一, 对缓解日益严峻的能源危机极为重要. 在重力式管道实验系统中, 测试给出了湍流状态下不同通气速率时减阻率随雷诺数及沟槽无量纲间距的变化规律和气膜铺展状态, 对比分析了单纯超疏水表面与超疏水沟槽表面上通气时减阻效果的差异.实验板材质为无色亚克力, 沟槽结构采用机械方法加工, 并在表面喷涂超疏水涂层. 结果表明, 持续通气能解决超疏水沟槽表面气膜层流失问题, 实现气膜层长时间稳定维持; 恒定雷诺数下, 随通气速率增大, 超疏水沟槽表面气膜铺展更趋均匀, 减阻率上升; 由于通气速率影响气膜横向扩展能力, 致使恒定通气速率下, 减阻率随雷诺数的变化呈现两种模式; 在固定雷诺数及通气速率时, 减阻率随沟槽尺寸的扩大先增后减, $S^{+}\approx 76$时减阻率最大. 分析其原因在于, 沟槽结构增大沾湿面积的同时, 显著提升了通气状态下超疏水表面气膜层的稳定性, 因而展示出与超疏水表面和沟槽表面均不相同的减阻规律, 且效果更佳.      

超疏水沟槽表面通气减阻实验研究

减阻是解决航行体提速和增程的主要技术途径之一,对缓解日益严峻的能源危机极为重要.在重力式管道实验系统中,测试给出了湍流状态下不同通气速率时减阻率随雷诺数及沟槽无量纲间距的变化规律和气膜铺展状态,对比分析了单纯超疏水表面与超疏水沟槽表面上通气时减阻效果的差异.实验板材质为无色亚克力,沟槽结构采用机械方法加工,并在表面喷涂超疏水涂层.结果表明,持续通气能解决超疏水沟槽表面气膜层流失问题,实现气膜层长时间稳定维持;恒定雷诺数下,随通气速率增大,超疏水沟槽表面气膜铺展更趋均匀,减阻率上升;由于通气速率影响气膜横向扩展能力,致使恒定通气速率下,减阻率随雷诺数的变化呈现两种模式;在固定雷诺数及通气速率时,减阻率随沟槽尺寸的扩大先增后减, S~+≈76时减阻率最大.分析其原因在于,沟槽结构增大沾湿面积的同时,显著提升了通气状态下超疏水表面气膜层的稳定性,因而展示出与超疏水表面和沟槽表面均不相同的减阻规律,且效果更佳.     

水下湍流减阻途径分析

综述了壁湍流边界层分层结构及近壁区湍流猝发过程,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地总结.根据各类减阻方法的特点对水下湍流减阻方法进行了分类,并分析了各类减阻方法对壁湍流流场的影响特征,总结了维持或延长层流、干扰湍流"猝发"、壁面隔离、增大湍流阻尼和改变壁面物性等5种水下湍流减阻可行途径,为开展水下湍流减阻研究及发现新的减阻方法提供参考.     

湍流边界层拟序结构的实验研究

20世纪60年代后, 先后从流动显示发现了快慢斑、猝发、上升流、下扫流和多种涡结构等湍流边界层的拟序结构. 它们对湍流边界层的摩阻、传热传质和湍动能的产生等特性有重要影响. 涡结构是上述拟序结构的核心, 它影响其它拟序结构的发展和演变. 发卡涡通常被认为是基本涡结构. 发卡涡等涡结构的再生, 是湍流边界层拟序结构能够自持续的必要的因素.壁面低速流上升产生猝发, 是湍流边界层湍能的主要来源; 条件采样是测量猝发频率和其它拟序结构出现频率的重要手段. 流动显示对湍流边界层拟序结构作了大量定性观察, 有许多减阻和增加传热率等应用性研究在此基础上发展起来. 80年代后, 出现了测量湍流边界层的瞬时流速矢量场的多热线法和PIV技术, 三维PIV技术可望将来为湍流边界层的实验研究带来重大进展. 本文评述了流动显示法、多热线法和PIV技术的优点和不足之处, 以及它们在对湍流边界层拟序结构的研究中的贡献.      

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.      

壁面温度在多参数下对平板边界层的影响研究

为了得到壁面温度在不同来流速度、不同湍流强度条件下对边界层转捩与减阻的影响规律,本文采用Transitionk-kl-ω模型对低来流速度下无压力梯度的光滑平板进行了数值模拟。结果表明,随着来流速度的升高,壁温升高所起到的减阻效果更好,即高来流速度对壁面温度更为敏感。当来流处于中高湍流强度下时,壁温升高能起到推迟转捩的作用,且随着湍流强度的升高,转捩推迟的效果越好,但减阻效果正好相反;当来流处于低湍流强度下时,壁温升高会使得转捩提前发生。壁温升高抑制了边界层内流体的脉动程度,使得层流的稳态不易被破坏,流动更加稳定;同时,壁温升高使得边界层内流体的速度梯度减小,从而降低了壁面摩擦系数,故壁温升高能起到推迟边界层转捩与减阻的作用。     

脊状表面航行器模型减阻特性的风洞实验研究

针对航行器提高航程和航速的需要,开展脊状表面湍流边界层减阻的实验和数值仿真研究。在航行器模型的外表面加工具有特定形状、尺寸的脊状结构,导致湍流边界层的流动稳定性增强,壁面摩擦阻力降低。在风洞中对具有光滑表面和脊状表面的航行器模型在不同风速和攻角下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线。实验结果表明,具有横向脊状表面的航行器模型在一定来流速度范围内具有很好的减阻效果,实验获得的最大减阻量为23.5%。数值仿真结果则发现,在脊状结构内形成了稳定的"二次涡",边界层内湍动能和湍流猝发强度降低,很好地揭示了减阻机理。     

柔性壁面湍流减阻机理与多尺度相干结构控制的实验研究

用热膜测速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率,精细测量了水槽中刚性壁面和柔性壁面平板湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号,利用湍流边界层近壁区域的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体粘性系数、壁面摩擦切应力等内尺度物理量的关系,在准确测量湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上,通过非线性迭代求解壁面摩擦速度以及湍流边界层壁面摩擦切应力.结果表明柔性壁的湍流边界层速度分布在对数律层有所上移,缓冲层增厚,说明柔性壁面具有一定的减阻作用. 利用湍流多尺度局部平均结构函数的概念和多尺度局部平均结构函数的瞬时强度因子、平坦因子检测多尺度相干结构及其间歇性的方法,提取了湍流边界层多尺度相干结构的条件相位平均波形.对比研究了刚性壁面和柔性壁面平板湍流边界层近壁区域多尺度相干结构的条件相位平均波形及其间歇性的统计特征,分析了柔性壁面具有减阻作用的物理机理.