壁面湍流标度律的PIV实验研究

利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层内的自相似标度律在不同的壁面距离的具体表达形式进行了实验研究。在动量损失雷诺数（Reθ=2167）下测量平板湍流边界层内的二维瞬时速度场。应用小波分析和传统统计学方法,在垂直于平板的平面内,对不同法向位置的自相似的标度律的具体形式及其随尺度的变化情况进行考察,并与已知的She-leveque（简称SL）标度律进行比较分析。结果表明,越接近壁面,结构函数的概率密度曲线尾部越宽,表现出逐渐增强的间歇性;并且随着壁面距离的减小,ESS标度律曲线与SL标度律曲线之间的差别也就越大,而新形式标度律曲线则与SL标度律曲线的差别逐渐减小。在提取的结构尺度一样时,结构函数的标度指数随法向位置的不同变化不大,但是随着提取结构尺度的增加,两种形式的标度律适用的尺度范围也在逐渐增大。     

壁湍流扩展的自相似标度律的实验研究

对风洞中零压力梯度平板湍流边界层进行了实验研究，用热线风速仪测量了不同法向位置的脉动速度，研究了湍流边界层不同法向位置速度结构函数的扩展的自相似标度律。     

用平均速度剖面法测量壁湍流摩擦阻力

用IFA300恒温热线风速仪精细测量风洞中不同雷诺数流动条件下的平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面．利用平板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、流体黏性系数等内尺度物理量的关系和壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系，在准确测量平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上，测量平板湍流边界层的壁面摩擦阻力．实现了平板湍流边界层壁面摩擦阻力的无干扰或微小干扰测量．该种方法操作简便，不需要在流场中安装测力天平、传感器等复杂的测量装置，不需要对湍流边界层的壁面进行破坏，不会影响湍流边界层壁面附近区域原有的流场条件，是一种切实可行的测量平板湍流边界层壁面摩擦阻力的简便方法．     

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.     

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.     

输气管道壁面涂料减阻机理的实验研究

用IFA-300热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量了风洞中不同壁面涂料的管道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对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏性系数等内尺度物理量的关系和壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系,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,间接测量湍流边界层的壁面摩擦阻力．对不同壁面涂料的壁湍流脉动速度信号用子波分析进行多尺度分解,用子波系数的瞬时强度因子和平坦因子检测管道湍流边界层中的多尺度相干结构,提取不同尺度相干结构的条件相位平均波形,对比研究输气管道壁面涂料的减阻机理．     

雷诺应力各向异性涡黏模型的层析TRPIV测量

利用层析TRPIV测量水洞中平板湍流边界层3D-3C速度场的高分辨率时间序列数据库. 提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念, 描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转. 用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解. 用空间流向局部平均多尺度速度结构函数, 根据湍流多尺度涡结构在流向的拉伸和压缩物理特征, 提出了新的湍流相干结构条件采样方法, 检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构“喷射”和“扫掠”事件中的脉动速度、平均速度变形率、雷诺应力等物理量的空间拓扑形态. 通过研究平均速度变形率各分量与雷诺应力各分量之间的空间相位差异,肯定了壁湍流相干结构雷诺应力各向异性复涡黏模型的合理性.      

金属丝壁面加热湍流标度律的实验研究

通过在固壁表面的平板湍流边界层沿流向平行放置若干通电加热的金属细丝,在平板表面形成沿展向周期性分布的温度场,利用该温度场引起的空气热对流,在湍流边界层近壁区域产生一组沿湍流边界层展向周期分布的流向涡结构。对壁湍流小尺度结构标度律统计特性的研究表明,金属丝加热后形成的规则流向涡结构将壁湍流各种尺度湍涡结构不规则的脉动有序地组织起来,增强了湍流小尺度结构的层次结构相似性,减小了壁湍流中小尺度结构的间歇性和奇异性,抑制了壁湍流中奇异的湍涡结构。     

可解尺度各向同性湍流的标度律

针对大涡模拟, 首先利用 EDQNM 能谱和传输谱理论, 在3种不同的过滤器下分别计算可解尺度各向同性湍流的二阶、三阶结构函数标度律, 并通过速度差扭率验证了可解尺度湍流的 ESS 理论. 研究了该可解尺度湍流标度律及速度差扭率与多个因素的关系, 这些因素包括: 两点距离与过滤尺度的比、大涡模拟雷诺数和过滤器类型. 结果显示, 当两点距离位于过滤尺度量级时或大涡模拟雷诺数较小时, 可解尺度标度律与未过滤流场的标度律相差很大进而必须加以修正, 而且可解尺度流场也不再总是满足 ESS 理论进而对应的速度差扭率也需要修正. 然后通过3个例子介绍了这些结果在大涡模拟亚格子模型中的应用.      

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.     

Experimental research on complex eddy viscosity modeling of multi-scale coherent structures in wall turbulence

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.     

动力学平衡方程的Euler中点辛差分求解格式

给出了动力学方程${\pmb M}\ddot {\pmb x} + {\pmb C}\dot {\pmb x} + {\pmb K \pmb x} = {\pmb R}$的二阶Euler中点隐式差分求解格式，分保守系统、无 阻尼受迫振动系统和阻尼系统3种情况, 讨论了算法中Jacobi矩阵${\pmb A}$的性质，譬 如${\pmb A}$是否为辛矩阵以及谱半径等. 对于无阻尼系统，证明了无论是否存在外 载荷，Jacobi 矩阵都是辛矩阵. 证明了辛矩阵的所有本征值的模为1，其谱半径永远 为1, 以及$\delta = 0.5$和$\alpha = 0.25$的Newmark算法就是Euler中点隐式差 分格式，对保守系统它们都是辛算法. 严格证 明了Euler中点辛格式是严格保持系统能量的. 通过算例详细讨论了保辛算法用于求解非保 守系统动态特性的优越性，如广义保结构特性等；分析了保辛算法的相位误差以及由其引起 的系统的附加能量特性；分析了保辛算法和$\delta \ne 0.5$的Newmark算法的精度随着激励频率与系统固有频率比的变化情况等     

Extended self-similar scaling law of multi-scale eddy structure in wall turbulence

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＭｕｃｈｗｏｒｋｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｏｔｅｄｉｎｔｈｅｌａｓｔｆｅｗｄｅｃａｄｅｓｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｓｃａｌｉｎｇｌａｗｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｓ.Ｔｈｅｓｏ＿ｃａｌｌｅｄ“ｖｅｌｏｃｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｏｒｄｅｒｎ”ｆｏｒｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｓｉｓｄｅｆｉｎｅｄａｓ〈ΔＶ(ｒ) ｎ〉 ,ｗｈｅｒｅΔＶ(ｒ) =Ｖ(ｘ ｒ) -Ｖ(ｘ)ｉｓｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｍｐ…     

Non-classical continuum theory for fluids incorporating internal and Cosserat rotation rates

This paper presents a non-classical continuum theory for fluent continua in which the conservation and balance laws are derived by incorporating both internal rotation rates arising from the velocity gradient tensor and the rotation rates of the Cosserats. Specifically, in this non-classical continuum theory we have (1) the usual velocities (\(\bar{ \pmb {\varvec{v }}}\)), (2) the three internal rotation rates (\({}_i^t\bar{ \pmb {\varvec{\Theta }}}\)) about the axes of a fixed triad whose axes are parallel to the x-frame arising from the velocity gradient tensor \((\bar{ \pmb {\varvec{L }}})\) that are completely defined by the antisymmetric part of the velocity gradient tensor, and (3) three additional rotation rates (\({}_e^t\bar{ \pmb {\varvec{\Theta }}}\)) about the axes of the same triad located at each material point as additional three unknown degrees of freedom, referred to as Cosserat rotation rates. This gives rise to \(\bar{ \pmb {\varvec{v }}}\) and \({}_e^t\bar{ \pmb {\varvec{\Theta }}}\) as six degrees of freedom at a material point. The internal rotation rates \({}_i^t\bar{ \pmb {\varvec{\Theta }}}\), often neglected in classical fluid mechanics, exist in all deforming fluent continua as these are due to velocity gradient tensor. When the internal rotation rates \({}_i^t\bar{ \pmb {\varvec{\Theta }}}\) are resisted by deforming fluent continua, conjugate moment tensor arises that together with \({}_i^t\bar{ \pmb {\varvec{\Theta }}}\) may result in energy storage and/or dissipation, which must be considered in the conservation and balance laws. The Cosserat rotation rations \({}_e^t\bar{ \pmb {\varvec{\Theta }}}\) also result in conjugate moment tensor that together with \({}_e^t\bar{ \pmb {\varvec{\Theta }}}\) may also result in energy storage and/or dissipation. The main focus of this paper is a consistent derivation of conservation and balance laws for fluent continua that incorporate the aforementioned physics and associated constitutive theories for thermofluids using the conditions resulting from the entropy inequality. The material coefficients derived in the constitutive theories are clearly defined and discussed.     

温度场内尺度估算方法的研究

用三维超声风速计测量了合肥地区风速脉动和温度脉动数据, 从Kolmogorov 的4/5定律估算湍流动能耗散率\varepsilon, 从Yaglom的4/3定律估算温度方差 耗散率\varepsilon _\theta, 指出现有文献提供的公式不适合计算温度场的内 尺度. 提出了一种温度场内尺度计算公式, 式中含有温度方差耗散率\varepsilon _\theta , 得到的内尺度大小正确反映了与C_n^2 强弱的对应关系.     

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。     

Inertial Sensitivity of Porous Microstructures

Fluid flows through porous media are subject to different regimes, ranging from linear creeping flows to unsteady, chaotic turbulence. These different flow regimes at the pore scale have repercussions at larger scales, with the macroscale drag force experienced by a fluid moving through the medium becoming a nonlinear function of the average velocity beyond the creeping flow regime. Accurate prediction of the transition between different flow regimes is an important challenge with repercussions onto many engineering applications. Here, we are interested in the first deviation from Darcy’s law, when inertia effects become sizeable. Our goal is to define a Reynolds number, \(Re_{\mathrm{C}}\), so that the inertial deviation occurs when \(Re_{\mathrm{C}}\sim 1\) for any microstructure. The difficulty in doing so is to reduce the multiple length scales characterizing the geometry of the porous structure to a single length scale, \(\ell \). We analyze the problem using the method of volume averaging and identify a length scale in the form \(\ell =C_\lambda \sqrt{\nicefrac {K_\lambda }{\epsilon _\beta }}\), with \(C_\lambda \) a parameter that indicates the sensitivity of the microstructure to inertia. The main advantage of this definition is that an explicit formula for \(C_\lambda \) is given; \(C_\lambda \) is computed from a creeping flow simulation in the porous medium; and \(Re_{\mathrm{C}}\) can be used to predict the transition to a non-Darcian regime more accurately than by using Reynolds numbers based on alternative length scales. The theory is validated numerically with data from flow simulations for a variety of microstructures.     

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.     

Fluid flow and heat transfer in microchannels with rectangular cross section

Forced convective heat transfer coefficients and friction factors for flow of water in microchannels with a rectangular cross section were measured. An integrated microsystem consisting of five microchannels on one side and a localized heater and seven polysilicon temperature sensors along the selected channels on the other side was fabricated using a double-polished-prime silicon wafer. For the microchannels tested, the friction factor constant obtained are values between 53.7 and 60.4, which are close to the theoretical value from a correlation for macroscopic dimension, 56.9 for D _h  = 100 μm. The heat transfer coefficients obtained by measuring the wall temperature along the micro channels were linearly dependent on the wall temperature, in turn, the heat transfer mechanism is strongly dependent on the fluid properties such as viscosity. The measured Nusselt number in the laminar flow regime tested could be correlated by which is quite different from the constant value obtained in macrochannels.