子波分析辨识壁湍流猝发事件的能量最大准则

用子波分析的方法，对用热膜测速仪得到的平板湍流边界层中流向脉动速度信号，在时域空间和频域空间同时进行时频双局部化分解．用子波系数研究了壁湍流脉动动能随尺度的分布，提出了确定壁湍流猝发事件时间尺度参数的能量最大准则，用子波逆变换得到了猝发事件对应的速度信号波形     

壁湍流猝发过程中速度分量的相位差对雷诺应力影响的实验研究

用IFA300恒温热线风速仪和×形二分量热线探针,以采样间隔小于最小湍流时间尺度的分辨率,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、展向速度分量的时间序列信号.用子波分析辨识壁湍流相干结构猝发事件的能量最大准则,确定壁湍流相干结构猝发事件的时间尺度;用条件相位平均技术提取了相干结构猝发过程中流向、展向脉动速度分量条件相位平均波形,用互相关方法研究了相干结构猝发过程中流向、展向脉动速度分量条件相位平均波形的相位差关系及其对雷诺应力的影响,发现在缓冲层和对数律区,展向脉动速度与流向脉动速度的条件相位平均波形具有不同的相位;当两者相位基本一致时,雷诺应力达到正的最大值,此时湍流相干结构的产生非常活跃;当两者相位差分别集中在90°和270°附近时,雷诺应力的幅值减小并接近于零,此时湍流相干结构的产生和猝发都得到了抑制.     

用能量最大准则确定VITA法的平均周期

引入了子波变换的方法来确定检测壁湍流猝发事件的VITA法的短时间平均周期T。为了确定VITA法的短时间平均周期T,用子波变换对热膜测速仪测量得到的湍流边界层近壁区域的流向脉动速度的时间序列进行了分解,分解在时域和频域同时进行,根据每一个尺度的子波系数的模的平方在时域的积分得到壁湍流每一个尺度的脉动动能随尺度的分布,用能量最大准则确定与壁湍流猝发事件的时间尺度对应的能量最大的尺度,该尺度也就是VITA法的短时间平均周期T。     

壁湍流相干结构的教学实验(五)──用子波分析辨识壁湍流相干结构

将子波分析作为一种新的工具来辨识壁湍流中的相干结构．用子波分析的方法对用热膜测速仅得到的壁湍流流向脉动速度信号在时域空间和频城空间同时进行分解,根据子波系教研究壁湍流脉动动能随尺度的分布,提出确定壁湍流的时间尺度参数的能量最大准则,提取壁湍流相干结构的速度信号波形．     

用子波分析修正检测壁湍流猝发的VITA法

应用壁湍流脉动速度信号子波分析的一系列方法对检测壁湍流猝发事件的VITA法进行了修正。其中,用能量最大准则确定VITA法短时间平均周期;以子波变换能量最大尺度脉动速度的短时间平均方差的局部极大值点作为检测函数的中心点,取代了传统VITA法中对短时间周期平均方差选用门限值的方法,避免了VITA法检测结果对门限值的主观经验依赖性,提高了VITA法检测壁湍流猝发事件的客观性和准确性。     

用子波变换检测壁湍流信号局部标度指数

本文用子波变换检测了刻画壁湍流脉动信号自相似性的局部标度指数，研究了不同尺度的湍流结构的自相似性，发现在湍流边界层猝发过程中，喷射和扫掠发生时刻小尺度脉动速度信号的局部标度指数为负值，说明在大尺度猝发事件发生的时刻小尺度结构具有奇异的自相似性，在猝发过程中其作用不仅仅是对湍能的耗散．     

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。     

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     

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     

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。     

用偏倚缩减法检测壁湍流相干结构的时空尺度

提出了用偏倚缩减法计算壁湍流信号自相关函数,提高了自相关函数的计算精度。用壁湍流脉动速度的时间序列的自相关函数达到第二峰值对应的延迟时间检测壁湍流相干结构的平均周期。用槽道流直接数值模拟近壁区脉动速度自相关函数达到第二个峰值对应延迟长度检测壁湍流相干结构的空间平均尺度。     

用自相关法确定VITA法的门限K

研究了用ＶＩＴＡ条件采样方法壁湍猝发的门限值与壁湍流猝发平均周期之间的关系,根据用壁湍流流向脉动速度自相关函数检测得到的壁湍流猝发平均周期,确定壁,湍猝发ＶＩＴＡ条件采样的门限值Ｋ。     

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.      

A study on coherent structures and drag-reduction in the wall turbulence with polymer additives by TRPIV

An experimental measurement was performed using time-resolved particle image velocimetry (TRPIV) to investigate the spatial topological character of coherent structures in wall-bounded turbulence of polymer additive solution. The fully developed near-wall turbulent flow fields with and without polymer additives at the same Reynolds number were measured by TRPIV in a water channel. The comparisons of turbulent statistics confirm that due to viscoelastic structure of long-chain polymers, the wall-normal velocity fluctuation and Reynolds shear stress in the near-wall region are suppressed significantly. Furthermore, it is noted that such a behavior of polymers is closely related to the decease of the motion of the second and forth quadrants, i.e., the ejection and sweep events, in the near-wall region. The spatial topological mode of coherent structures during bursts has been extracted by the new mu-level criteria based on locally averaged velocity structure function. Although the general shapes of coherent structures are unchanged by polymer additives, the fluctuating velocity, velocity gradient, velocity strain rate and vorticity of coherent structures during burst events are suppressed in the polymer additive solution compared with that in water. The results show that due to the polymer additives the occurrence and intensity of coherent structures are suppressed, leading to drag reduction.     

Burst event detection in wall turbulence by WVITA method

Wavelet Variable Interval Time Average (WVITA) is introduced as a method incorporating burst event detection in wall turbulence. Wavelet transform is performed to unfold the longitudinal fluctuating velocity time series measured in the near wall region of a turbulent boundary layer using hot-film anemometer. This unfolding is both in time and in space simultaneously. The splitted kinetic of the longitudinal fluctuating velocity time series among different scales is obtained by integrating the square of wavelet coefficient modulus over temporal space. The time scale that related to burst events in wall turbulence passing through the fixed probe is ascertained by maximum criterion of the kinetic energy evolution across scales. Wavelet transformed localized variance of the fluctuating velocity time series at the maximum kinetic scale is put forward instead of localized short time average variance in Variable Interval Time Average (VITA) scheme. The burst event detection result shows that WVITA scheme can avoid erroneous judgement and solve the grouping problem more effectively which is caused by VITA scheme itself and can not be avoided by adjusting the threshold level or changing the short time average interval. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19732005) and the National Climbing Project of China