EXPERIMENTAL STUDY ON QUANTITATIVE MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE OF HAIRPIN VORTEX BY STEREO-PIV 1)

发卡涡是湍流相干结构研究中最为关注的内容,实现发卡涡三维结构的定量测量并进行流体动力学分析,对深入研究湍流相干结构、实现湍流精准控制等具有重要意义.本研究通过对合成射流装置进行合理控制,使得层流边界层中产生了规则的人造发卡涡结构,进而用体视图像粒子测速仪(Stereo-PIV)锁相实验技术对发卡涡结构所在的三维空间流场进行了定量测量,并得到了一个完整周期内形成的发卡涡三维结构的空间流场. 结果发现,重构所得的三维发卡涡结构质量较高, 实验技术和方案具有可行性.发卡涡结构所在空间流场情况,符合目前人们对于发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的常规认识. 此外,对近壁二次流向涡、展向涡量集中区域的展向涡头和强剪切区域、与低速喷射流体相关的汇聚流动和发散流动等有了更细致的认识.同时, 也探讨了"基于二维脉动流场的相关特征去重构发卡涡三维流场"的可行性.为进一步定量探究发卡涡结构的形成演化、不同涡结构的融合及二次诱导等壁湍流相干结构问题提供思路.     

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.     

壁流动中的转捩

对壁流动的不同实验结果做了对比,这些实验结果来自于流动显示、热膜测量以及PIV测量, 对比的同时,还总结了与此相应的理论方面的进展.这些进展是在对所选大约120篇文献中内容归纳提炼的基础上给出的.尽管实验中所使用的初始扰动条件不同,但所发现的流动结构几乎是完全一样的. 在对壁流动转捩的认识方面,认为下列所观察到的流动结构是最基本最重要的:在边界层和管流中被称为类孤子相干结构(SCS)的三维非线性涡包、$\Lambda$涡、二次涡环和涡环链.近期的实验中发现了这些结构形成和转捩的动力学过程,具体包括以下内容: (1) $\Lambda$ 涡和二次涡环间持续的相互作用过程.该过程决定了涡环链的产生方式, 总是从壁面区域周期性地形成,并进入到边界层的外部区域; (2)高频涡的生成,这是理解转捩和湍流边界层(以及其他流动)发展的关键问题之一.尽管已经提出了一些解释,但是二次涡环的实验发现将对此提供一个特别清晰的解释.(3)在所有湍流猝发中SCS所起的关键作用.这一点被看做是低雷诺数湍流边界层中湍流产生的关键机制.与猝发直接相关联的是低速条带. 基于SCS的动力学过程, 针对壁流动情况,可以比以前更清晰地解释低速条带的形成机制及其与流动结构的关系.在实验中所观察到的SCS和二次涡环,不仅能使我们重温壁面流动转捩中的经典故事, 同时还开辟一条新的途径,可以基于此建立壁面流动转捩可能具有的普适性的动力学过程.      

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.      

高分子溶液壁湍流减阻机理的TRPIV实验研究

利用高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV)对回流式水槽中低浓度高分子溶液壁湍流的减阻机理进行实验研究。通过对比分析高分子溶液和纯水平板湍流边界层在相同来流速度下的平均速度剖面、湍流强度和雷诺应力,发现高分子溶液的壁面摩擦阻力减小了21.77%,并且其缓冲层增厚,按对数律外移,雷诺应力减小;高分子聚合物主要在近壁区起到抑制湍流脉动的作用,而在主流区的作用不太明显。用流向局部平均多尺度速度结构函数和相干结构条件采样方法,检测并对比了高分子溶液和水的壁湍流相干结构“喷射”和“扫掠”事件中的脉动速度、展向涡量、雷诺应力等物理量的二维拓扑形态,发现高分子溶液近壁区相干结构在猝发时的脉动速度减小,涡量受到抑制,雷诺应力明显减小,说明高分子溶液湍流近壁区相干结构“喷射”和“扫掠”的强度变弱,猝发频率降低,动量和能量的输运减弱,揭示出高分子溶液减阻的重要机理。     

可压缩自由剪切流混合转捩大涡模拟

针对湍流气动光学效应与冲压发动机气体混合机理问题,开展了可压缩混合层流动空间模式大涡模拟和时间模式直接数值模拟研究.通过对流场(包含亚/亚混合、超/亚混合两种情况)失稳、转捩直至完全湍流的空间发展过程的研究表明,对流Mach数0.4状态下流场失稳以二维最不稳定扰动为主;非线性发展中,基频涡对并及展向涡撕裂主控流动转捩,流场发生混合转捩;转捩后脉动流场基本达到局部各向同性,此时,湍流Mach数低于0.3,流动压缩性可近似忽略.     

逆向涡对超疏水壁面减阻影响的TRPIV实验研究

超疏水壁面由于具有减阻和自清洁功能而成为国内外减阻和海洋防污等研究领域的热点之一,而20世纪湍流中相干结构的发现为湍流的控制指出新的方向,尤其近壁区涡结构对摩擦阻力贡献很大.利用高时间分辨率粒子图像测速技术,研究了超疏水壁面(SH)以及亲水壁面(PH)湍流边界层中正负展向涡的空间分布特征,研究逆向涡对超疏水壁面近壁区流动结构的影响和超疏水壁面的减阻机理.首先利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)和逆向涡,实现了准确识别涡心并排除小尺度涡的干扰;然后根据检测到的顺向涡和逆向涡流线分布图,发现逆向涡始终处于正向涡的上游和下方,并且对正向涡的进一步发展起抑制作用;最后对两种壁面边界层中逆向涡数量以及出现概率进行对比,发现具有减阻效果的超疏水壁面边界层中出现更多逆向涡.说明逆向涡可抑制上方顺向涡与壁面的强烈剪切,并使靠近壁面的流体加速,从而产生减阻效果;超疏水壁面中涡结构具有更大的β角,使其更好地阻碍了发卡涡头附近强烈的喷射和扫略;超疏水壁面逆向涡出现概率明显大于亲水壁面.这些结果表明:超疏水壁面表现出的减阻特性(Reδ≈13 500,减阻5.8%)与两板产生逆向涡的差异有关.     

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.      

TR PIV INVESTIGATION ON THE LAGRANGIAN HAIRPIN VORTICES INDUCED BY A CUBIC DISTURBANCE

运用时分粒图仪 (time-resolved particle imagevelocimetry)对平板边界层中立方体扰动诱导产生的发卡涡涡结构进行了实验测量, 得到了立方体扰动尾迹区中展向平面内的速度矢量分布.基于拉格朗日坐标系, 运用李亚普诺夫指数对流场中的相干结构进行了辨识, 比较欧拉坐标系下的结果发现拉格朗日体系下李亚普诺夫指数场不仅有效地包含欧拉坐标系下涡强所表征的发卡涡涡头信息外, 并且能够呈现出涡颈在空间中的分布, 能够完全刻画出发卡涡涡结构在展向平面内的信息, 还发现李亚普诺夫指数对流场拟序结构的表征有很好的鲁棒性.另外, 李亚普诺夫指数场的互相关分析表明诱导产生的发卡涡涡结构随着向下游的传播, 其涡头不断抬升, 发卡涡涡结构与壁面的倾角也逐渐变大, 有效地刻画了拟序结构的空间演化过程.     

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.      

关于湍流拟序结构的思考

本文在简要地回顾了30多年来湍流拟序结构研究的进展之后,评述了目前拟序结构研究的动态。笔者强调准确的湍流场数据库建立的重要性,它是定量描述和研究拟序结构的基础。笔者评述了关于拟序结构目前流行的几种观点和方法,认为应当把研究拟序结构的动力学作为我们研究的目标。笔者深信准确掌握拟序结构的动力学规律,对于预测和控制湍流将有极大的推动。      

充分发展圆管湍流的实验研究

采用粒子数字图像测速（digital particle image velocimetry,DPIV)和定量流动显示技术（quantitative flow visualization,QFA)对充分发展的圆管湍流进行了研究。测量结果和直接数值模拟（direct numerical simulation,DNS)结果进行了比较，结果表明作者开发的DPIV技术取得了满意的精度。在此基础上对圆管湍流的动力学机理进行了研究，分析了上抛和下扫在湍流生成中的贡献以及流动显示结构内的脉动速度分布，测量结果显示在圆管湍流的近壁区存在横向强脉冲现象和流动显示所能观察到的结构为上抛占主导地位的结构。     

A visual study on complex flow structures and flow breakdown in a boundary layer transition

A visualization study is conducted on the excited laminar-turbulent transition within a flat plate boundary layer flow in a water tunnel. The hydrogen bubble technique is employed to investigate the complex characteristics of the flow structure and its breakdown in the later stages of the transition. A new flow structure is observed, which involves two secondary hairpin vortices outboard of both legs of a primary hairpin vortex. This complex structure is argued to be a precursor of a turbulent spot in this K-type transition. Also reported in the paper is the evolution of the flow structure and its subsequent breakdown, manifested by the emergence of dark spots, low-speed fluid bumps, and near-wall hairpin vortex groups. The results indicate that the near-wall flow breakdown is the result of instability of a local three-dimensional high-shear layer between the low-speed fluid bump and the outer higher-speed region.     

Coherent vortical and straining structures in the finite wall-mounted square cylinder wake

Topological aspects of the turbulent wake of a finite, surface-mounted, square-cross-section cylinder of h/d = 4 are addressed by decomposing the velocity field into a quasi-periodic coherent part and the unresolved incoherent fluctuations. The three-dimensional large scale structure is educed through a reconstruction of planar phase-averaged PIV measurements using the simultaneously sampled surface pressure difference on opposing sides of the obstacle as a phase reference. A topological model for the vortex structure is educed and mean streamwise wake vorticity is explained in terms of the connections between initially vertical structures shed alternately from either side of the obstacle, rather than previously proposed ‘tip’ vortex structures generated at the obstacle free-end. The coherent structure educed accounts for a significant portion of the fluctuating energy in the wake. The turbulent field is further analyzed by finding Lagrangian straining structures that form by induction of the coherent vorticity field, and these structures are related to the energy transfer from the base phase-averaged flow since they act to stretch incoherent vorticity fluctuations in their neighbourhood.     

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理, 完善等离子体激励器数学模型, 提升等离子体激励器扰动能力, 采用粒子图像测速技术, 在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究. 实验时, 将非对称布局激励器布置在平板模型上, 随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内, 从而避免环境气流对测试结果的影响. 基于激励器诱导流场, 分析了激励电压对诱导射流特性的影响, 揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构, 获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程, 计算了卷起涡脱落频率, 阐述了卷起涡与启动涡的区别, 初步探索了卷起涡的耗散机制. 结果表明: (1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性, 激励电压是影响射流特性的重要参数. 当电压较低时, 诱导射流为层流射流; 当电压较高时, 诱导射流的雷诺数提高, 射流剪切层不稳定, 层流射流逐渐发展为湍流射流. (2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构; 在固定电压下, 这些涡结构存在恒定的卷起频率. (3)当激励电压较高时, 流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形, 引起了流场湍动能增大, 从而加速了卷起涡的耗散. 研究结果为全面认识激励器射流特性, 进一步挖掘激励器卷吸掺混能力, 提升激励器控制能力积累基础.      

An orthogonal-plane PIV technique for the investigations of three-dimensional vortical structures in a turbulent boundary layer flow

An experimental investigation was carried out regarding a three-dimensional topology of a zero-pressure gradient turbulent boundary layer. In this study, the polarization separation technique has been applied to the PIV measurements. Two mutually perpendicular measurement planes have been employed in x–y and x–z planes, respectively. Synchronization between a stereoscopic PIV with another plane PIV system was made toward the detection of such salient features of the coherent structure as the legs and the head of the hairpin vortices. Polarization rotation via a half-waveplate and subsequent particle image separation using polarizer minimized the spurious particle images. The PIV results clearly demonstrate the presence of hairpin-like coherent vortical structures and coincidence between the near-wall quasi-streamwise vortex pair and the legs of the hairpin vortex.     

Numerical prediction of turbulent flow structure generated by a synthetic cross‐jet into a turbulent boundary layer

A detailed numerical study using large‐eddy simulation (LES) and unsteady Reynolds‐averaged Navier–Stokes (URANS) was undertaken to investigate physical processes that are engendered in the injection of a circular synthetic (zero‐net mass flux) jet in a zero pressure gradient turbulent boundary layer. A complementary study was carried out and was verified by comparisons with the available experimental data that were obtained at corresponding conditions with the aim of achieving an improved understanding of fluid dynamics of the studied processes. The computations were conducted by OpenFOAM C++, and the physical realism of the incoming turbulent boundary layer was secured by employing random field generation algorithm. The cavity was computed with a sinusoidal transpiration boundary condition on its floor. The results from URANS computation and LES were compared and described qualitatively and quantitatively. There is a particular interest for acquiring the turbulent structures from the present numerical data. The numerical methods can capture vortical structures including a hairpin (primary) vortex and secondary structures. However, the present computations confirmed that URANS and LES are capable of predicting current flow field with a more detailed structure presented by LES data as expected. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Temporal Evolution of Vortical Structures in the Wall Region of Turbulent Channel Flow

Hairpin-like vortical structures that form in the wall region of turbulent channel flow are investigated. The analysis is performed by following a procedure in which the Navier-Stokes equations are first integrated by means of a computational code based on a mixed spectral-finite difference technique in the case of the flow in a plane channel. A DNS turbulent-flow database, representing the turbulent statistically steady state of the velocity field through 10 viscous time units, is computed and the vortex-detection method of the imaginary part of the complex eigenvalue pair of the velocity-gradient tensor is applied to the velocity field. As a result, hairpin-like vortical structures are educed. Flow visualizations are provided of the processes of evolution that characterize hairpin vortices in the wall region of turbulent channel flow. The relationship is investigated between vortex dynamics and 2nd- and 4th- quadrant events, showing that ejections and sweeps play a fundamental role in the way the morphological evolution of a hairpin vortex develops with time.