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     

完全发展的非对称槽道湍流的分形维数研究

湍流的分形维数刻画了湍流的统计正则性 ,本文利用正交子波变换对完全发展的非对称槽道湍流脉动速度的实验数据进行了分析研究。文中首先将脉动速度信号分解到各个尺度 ,然后利用正则法和盒子法两种方法计算了不同尺度信号的分形维数 ,着重于考虑分形维数的变化趋势。研究结果表明 :(1 )随着信号分解尺度的增加 ,速度信号的低频部分和高频部分的维数都逐渐减小 ;(2 )逆输运现象对速度信号的分形维数没有本质的影响 ;(3)正则法计算得到的分形维数要略大于盒子法得到的分形维数     

湍流信号的三项分解

利用数字滤波方法和子波（ｗａｖｅｌｅｔ）分析方法对用热线测得的湍流信号进行了三项分解．将湍流信号分解为近似各向同性的小尺度涡和各向异性的大尺度涡之后，再将大尺度涡分解为相干结构部分以及非相干结构部分．与目前检测相干结构常用的条件采样方法相比较后发现，本文的分解方法是可靠的．利用此方法不仅能确定相干结构的时间尺度，而且可以得到非条件平均的相干结构波形．     

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。     

湍流边界层等动量区演化机理的实验研究

等动量区是瞬时流场中流体动量接近的局部区域,其生成和分布与相干结构密切相关. 对等动量区的研究有助于更深入认识湍流边界层相干结构,但目前对其演化过程还缺乏实验支持和机理分析. 设计并使用移动式高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV)系统对光滑平板湍流边界层进行了跟踪测量,用滤波方式对数据进行降噪,结合对直接数值模拟数据的插值结果,获得脉动速度信号. 使用改进方法去掉非湍流的影响,检测边界层内的等动量区,得到其数量的时间序列,结合流向速度概率密度函数分布的变化,分析得出了等动量区的数量在大的时间尺度下从一个稳态到另一个稳态的阶梯状变化特点. 分解不同尺度的脉动速度,对大尺度和小尺度脉动信号进行条件平均,发现大尺度脉动对等动量区数量变化起主要作用,表现为不同速度流体通过发生不同猝发事件改变流向速度概率密度函数分布. 分析流向大尺度脉动空间分布的变化,发现等动量区内常含有多个大尺度脉动区域,不同区域的扩张、收缩、分裂、合并影响流向速度的集中程度,进而导致等动量区数量的变化.      

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．     

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     

湍流边界层相干结构剩余脉动雷诺应力项的实验测量

用IFA300恒温热线风速仪和X形二分量热线探针以采样间隔小于湍流耗散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、法向速度分量的时间序列信号。用条件采样和相位平均技术提取了相干结构猝发过程中相干结构剩余脉动雷诺应力和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力的条件相位平均波形。基于理论上对湍流相干结构动量方程中随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力和相干结构剩余脉动雷诺应力项的分析,对两种雷诺应力项进行了对比研究。研究发现,相干结构剩余脉动雷诺应力项在数值上具有和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力相同的数量级,表明在相干结构动力学模型方程中,相干结构剩余脉动雷诺应力项并不像以前估计的那样可以忽略不计。     

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     

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.      

基于聚类连通法的湍流拟序结构研究进展

湍流的无序性要求对拟序结构的研究必须从统计的角度出发, 而聚类连通法 (clustering method) 则是实现拟序结构与统计方法深度融合的有力工具. 该方法是一种基于数据的流动特征提取方法, 它将每个连通域, 即单个拟序结构作为一个统计样本. 此外, 其衍生的基于连通域空间重叠的时空追踪方法可以进一步研究这些结构的时空演化, 该方法将每个拟序结构从生成到消亡的演化过程也视为统计样本, 从而实现了对拟序结构运动学特征和动力学过程的统计刻画. 本文回顾了聚类连通法的发展历程并着重介绍了人们采用该方法在雷诺切应力结构、速度条带和能量级串方面取得的重大进展, 这些结果表明该方法极大拓展了人们基于传统的逐点统计方法对湍流的认识, 因而具有很大的潜力. 最后, 对该方法在湍流中的应用给出了建议和展望.      

深孔台阶爆破近区振动信号趋势项去除方法

基于深孔台阶爆破近区大量实测振动信号,总结了趋势项产生的原因主要为大振幅脉冲输入下的非线性失真及低频干扰叠加,在此基础上以测试仪器有效监测范围作为识别趋势项组成部分的判别准则。利用集合经验模态分解（ensemble empirical mode decomposition,EEMD）、小波分解等信号分析手段,提出了以固有模态函数（intrinsic mode function,IMF）的频带分布为指标、人工判别的趋势项去除方法,以及基于自相关分析识别噪声特征的小波阈值去噪方法。实例证明该方法切实有效,可实现爆破信号的批量化预处理。     

The spatial-temporal evolution of coherent structures in log law region of turbulent boundary layer

The spatial-temporal evolution of coherent structures(CS) is significant for turbulence control and drag reduction. Among the CS, low and high speed streak structures show typical burst phenomena. The analysis was based on a time series of three-dimensional and three-component(3D-3C) velocity fields of the flat plate turbulent boundary layer(TBL) measured by a Tomographic and Time-resolved PIV(Tomo TRPIV) system. Using multi-resolution wavelet transform and conditional sampling method, we extracted the intrinsic topologies and found that the streak structures appear in bar-like patterns. Furthermore, we seized locations and velocity information of transient CS, and then calculated the propagation velocity of CS based on spatial-temporal cross-correlation scanning. This laid a foundation for further studies on relevant dynamics properties.     

Wall pressure and its relation to turbulent structure of a boundary layer

Wall pressure fluctuations were measured in relation to the structure of coherent motions of a turbulent boundary layer. Their high and low frequency parts were found to be related with the large scale motions of the outer layer and the bursts in the wall region respectively. Based on the experimental results, a structure model of the coherent motions is presented.This paper was presented at the Ninth symposium on turbulence, University of Missouri-Rolla, October 1–3, 1984     

Coherent structures in trailing-edge cooling and the challenge for turbulent heat transfer modelling

The present paper tests the capability of a standard Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) turbulence model for predicting the turbulent heat transfer in a generic trailing-edge situation with a cutback on the pressure side of the blade. The model investigated uses a gradient-diffusion assumption with a scalar turbulent-diffusivity and constant turbulent Prandtl number. High-fidelity Large-Eddy Simulations (LES) were performed for three blowing ratios to provide reliable target data and the mean velocity and eddy viscosity as input for the heat transfer model testing. Reasonably good agreement between the LES and recent experiments was achieved for mean flow and turbulence statistics. The LES yielded coherent structures which were analysed, in particular with respect to their effect on the turbulent heat transfer. For increasing blowing ratio, the LES replicated an also experimentally observed counter-intuitive decrease of the cooling effectiveness caused by the coherent structures becoming stronger. In contrast, the RANS turbulent heat transfer model failed in predicting this behaviour and yielded significantly too high cooling effectiveness. It is shown that the model cannot predict the strong upstream and wall-directed turbulent heat fluxes caused by large coherent structures, which were found to be responsible for the counter-intuitive decrease of the cooling effectiveness.     

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。