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.     

上海陆域古河道分布及对工程建设影响研究

采用直接数值模拟方法, 对槽道湍流中展向振动流向传播的波动壁面的流动 控制和减阻问题进行了研究, 讨论了流向参数k_{x}对Stokes层、湍流拟序结构、湍流猝 发事件以及壁面阻力的影响, 并对此类波动壁面的湍流控制和减阻机理进行了讨论. 结果表 明, 当此类波动壁面被用来调制近壁流动时, 仅低频波对湍流流场具有显著影响, 可导致湍 流猝发事件的频率和强度的显著变化; 波数k_{x}的增大对于湍流猝发事件的频率和强度增 减的影响并不同步, 存在一个最优的波数k_{x}, 在其调制下, 固有流场对诱导流场的影响 最弱, 而诱导流场对固有流场的影响显著, 减阻效果最好.     

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.      

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。     

水下减阻技术研究综述

在简要回顾早期减阻研究的基础上,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地分析.重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水表面减阻的研究现状.分别从实验研究和理论研究两方面对其进行了阐述,并着重强调了各自的减阻机理. 此外,还简要介绍了柔顺壁面减阻、壁面振动减阻等其它减阻技术.展望了水下减阻技术今后的研究重点及其应用前景.      

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。     

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。     

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.     

脊状表面减阻机理研究

针对脊状表面流场的特点,通过实验测量和数值模拟的方法对脊状表面微观流场进行了深入研究,获得了脊状表面湍流边界层的时均速度分布曲线、湍流度分布曲线和微观流场结构.为了得到脊状结构对壁面物性的影响,对脊状表面进行了疏水性测试,获得了液滴在脊状表面上的表观接触角,并通过水洞试验验证了脊状表面的减阻效果.研究表明,与光滑表面相比,脊状表面微观流场结构中存在"二次涡",近壁区的黏性底层厚度比平板的要厚得多,湍流度显著降低,且脊状表面表现出明显的疏水性.由此提出了基于壁面隔离效应、增大湍流阻尼效应和改变壁面物性效应的减阻机理.     

高频吹气扰动影响近壁区拟序结构统计特性的实验研究

利用恒温热线风速仪测量了零压力梯度平板上施加由合成射流激发的狭缝周期吹气扰动前后不同流向位置湍流边界层的速度信号, 展开高频吹气扰动影响近壁区湍流结构的统计特性研究. 研究结果表明:高频周期吹气扰动在狭缝下游产生明显的减阻效果. 扰动强度在湍流边界层内的发展沿流向呈衰减趋势, 其与湍流结构的相互作用也相应衰减. 然而, 因高频扰动产生运动的展向涡结构与猝发引起的结构变化尺度相当, 直接影响了近壁区拟序结构产生与发展的统计, 从而使得猝发检测方法VITA 表现出与低频或定常吹气减阻机理相异的现象.      

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.     

沟槽面湍流边界层结构实验研究

应用激光测速技术和氢气泡流动显示技术对沟槽面湍流边界层特性及近壁区拟序结构特征进行了精细的测量和观察。实验结果表明：与光滑面湍流边界层相比,沟槽面端流边界层的黏性底层厚度、过渡层厚度及流速分布对数公式中的积分常数C均有所增大,说明采用的沟槽面具有减阻特性。此外,无量纲低速带条间距明显减小,最多减小20%,说明无量钢低速带条平均间距的缩短与湍流减阻密切联系。     

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。     

An experimental-based model for prediction of flow noise with drag reducing polymers

The drag reduction characteristics of certain high molecular weight polymers have been studied by various investigators. Because of the polymer’s ability to reduce turbulent shear stress and dependence of the boundary layer wall pressure spectral amplitude on the shear stress, polymer has the potential to suppress noise and vibration caused by the boundary layer unsteady pressures. Compared to its effect on drag reduction, polymer additive effects on turbulent boundary layer (TBL) wall pressure fluctuations have received little attention. Kadykov and Lyamshev [Sov. Phys. Acoust. 16 (1970) 59], Greshilor et al. [Sov. Phys. Acoust. 21 (1975) 247] showed that drag reducing polymer additives do indeed reduce wall pressure fluctuations, but they have not established any scaling relationship which effectively collapse data. Some effort has been made by Timothy et al. [JASA 108 (1) (2000) 71] at Penn State University to develop a scaling relationship for TBL wall pressure fluctuations that are modified by adding drag reducing polymer to pure water flow. This paper presents a theoretical model based on the work of the Timothy et al. team at ARL, Penn State University. Through this model one can estimate, reduction in TBL flow induced noise and vibration for rigid smooth surfaces due to release of drag reducing polymers in boundary layer region. Using this theoretical model, flow noise as experienced by a typical flush mounted hydrophone has been estimated for a smooth wall plate as a function of polymer additive concentration. Effect of non-dimensionalisation of the wall pressure fluctuations frequency spectra with traditional outer, inner and mixed flow variables will also be addressed in the paper. The paper also covers a model based on molecular relaxation time in polymer additives which not only reduce drag but also flow induced noise up to certain polymer concentration.     

Experimental Control of Turbulent Boundary Layers with In-plane Travelling Waves

The experimental control of turbulent boundary layers using streamwise travelling waves of spanwise wall velocity, produced using a novel active surface, is outlined in this paper. The innovative surface comprises a pneumatically actuated compliant structure based on the kagome lattice geometry, supporting a pre-tensioned membrane skin. Careful design of the structure enables waves of variable length and speed to be produced in the flat surface in a robust and repeatable way, at frequencies and amplitudes known to have a favourable influence on the boundary layer. Two surfaces were developed, a preliminary module extending 152 mm in the streamwise direction, and a longer one with a fetch of 2.9 m so that the boundary layer can adjust to the new surface condition imposed by the forcing. With a shorter, 1.5 m portion of the surface actuated, generating an upstream-travelling wave, a drag reduction of 21.5% was recorded in the boundary layer with Re _τ =?1125. At the same flow conditions, a downstream-travelling produced a much smaller drag reduction of 2.6%, agreeing with the observed trends in current simulations. The drag reduction was determined with constant temperature hot-wire measurements of the mean velocity gradient in the viscous sublayer, while simultaneous laser Doppler vibrometer measurements of the surface recorded the wall motion. Despite the mechanics of the dynamic surface resulting in some out-of-plane motion (which is small in comparison to the in-plane streamwise movement), the positive drag reduction results are encouraging for future investigations at higher Reynolds numbers.     

减阻工况下壁面周期扰动对湍流边界层多尺度的影响

通过在平板壁面施加不同频率振幅的压电陶瓷振子周期性扰动,进行了湍流边界层主动控制减阻的实验研究.在压电陶瓷振子最大减阻工况下(80 V和160Hz),使用单丝边界层探针对压电振子自由端下游2mm处进行测量,得到不同法向位置流向速度信号的时间序列.通过对比施加控制前后的多尺度分析,发现压电振子产生的扰动只对近壁区产生影响,使得近壁区大尺度脉动降低,小尺度脉动强度增大,而对边界层的外区则基本没有影响.进一步对大尺度和小尺度的脉动信号进行条件平均,发现压电振子产生的扰动对小尺度脉动的影响在时间相位上并不均匀,小尺度脉动强度在大尺度脉动为正时比在大尺度脉动为负时具有更明显的增加.这表明壁面周期扰动主要通过使大尺度高速扫掠流体破碎为小尺度结构,来影响相应的高壁面摩擦事件,从而达到减阻效果.      

双振子同异步振动主动控制湍流边界层减阻实验研究

本文以镶嵌在平板上沿展向对放的两个压电陶瓷振子为主动控制激励器,自主设计了零质量射流主动控制湍流边界层减阻实验方案.在风洞中开展了双压电振子同步和异步振动主动控制湍流边界层减阻的实验研究,实现了压电振子的周期扰动对湍流边界层多尺度相干结构的干扰和调制,施加控制后减小了壁面摩擦阻力,获得减阻效果.当异步控制100 V, 160 Hz工况时得到最大减阻率为18.54%.小波多尺度分析结果表明,施加控制工况中PZT振子的周期性扰动使得小尺度结构的湍流脉动强度增强,改变了近壁区大尺度和小尺度结构的含能分布,且异步控制工况比同步控制工况的减阻效果好.当双振子振动频率为160 Hz时,流向脉动速度的小波系数PDF曲线呈现出波动特征,尾部变宽显著,近壁湍流脉动更加有序和规则,湍流间歇性减弱.对小尺度脉动进行条件相位平均的结果表明,施加PZT周期扰动后使得大尺度结构破碎成为小尺度结构,小尺度脉动强度增强,实现减阻.随着流向位置离PZT振子越来越远,周期性扰动对相干结构的调制作用逐渐减弱.