湍流边界层对数律区相干结构的Tomo-TRPIV实验研究

应用层析高时间分辨率粒子图像测速技术（tomographic time-resolved particle image velocimetry，Tomo-TRPIV），测量了Re_θ=2 460的平板湍流边界层三维3分量瞬时速度场的时间序列.提出湍流空间多尺度局部平均速度结构函数的概念，应用流向脉动速度沿流向的空间多尺度局部平均速度结构函数的正负过零点法，从瞬时脉动速度场中检测相干结构的喷射和扫掠事件，对检测到的喷射和扫掠事件的瞬态局部速度场、速度梯度场、涡量场、速度变形率场进行空间相位对齐叠加平均，获得喷射和扫掠事件的局部速度场、速度梯度场、涡量场、速度变形率场的典型特征.研究发现，相干结构喷射和扫掠时，速度梯度、速度变形率、涡量均表现为空间反对称分布的4极子结构.特别是流向涡量是沿流向、法向、展向均为反对称分布的法向多层4极子结构，表明法向各层相干结构是紧密联系，互相关联的.这种法向多层的4极子反对称结构导致强烈的动量、质量和能量交换，维持了相干结构的演化和发展过程.      

警惕海滩隐形杀手——离岸流

离岸流是垂直于海岸线、向外海方向快速移动的强劲海流。对于海边的人员来说非常危险,没有经验的游泳者一旦被离岸流带离浅滩,很难与之对抗游回岸边,往往因力竭而溺水。每年海滨区域都有大量的溺亡事件与此相关,但有关离岸流的知识在公众的视野里仍比较缺乏。本文从流体力学的角度对离岸流的危害、形成、特征以及分类进行了简要介绍,并在如何防范离岸流、保障自身安全等方面给出了一些建议。     

《力学与实践》助我成长

<正>2011年,我考入天津大学力学系,在姜楠教授的指导下,开始了研究生阶段的学习,在这里开始相识了《力学与实践》杂志。刚进课题组,发现姜老师订阅了很多力学学会的期刊,其中就包括《力学与实践》。我对期刊中"身边力学的趣话"和"力学家"等小栏目尤为喜欢:武际可教授写的"汤包";王振东教授写的自然灾害"五部曲"——漫话龙卷风、台风、泥     

秋荷白露大如珠——从荷叶上的露珠谈超疏水现象

以科普文章的形式介绍超疏水现象及其物理机理和工程应用.从中国古代诗歌中描写荷叶上的露珠的名篇佳句引入,介绍了自然界的超疏水现象及其物理机理和超疏水材料在工程中的应用,超疏水材料是一种具有广泛应用前景和应用价值的新材料.号召公众热爱自然、观察自然、认识自然、学习自然,与自然和谐相处.     

基于Stereo-PIV技术的三维发卡涡结构定量测量研究

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.      

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.     

含有周期涡结构的湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的迟滞效应

针对存在时空周期涡旋结构的湍流场，对湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的空间迟滞效应进行了实验研究，发现二者流向相位差呈周期变化．在低速回流式水槽中，利用二维高时间分辨率粒子图像测速(TimeResolved Particle Image Velocimetry, TRPIV)技术，对Re=324的圆柱尾流流场进行测量．经过49个周期166个相位的8 215个PIV瞬时流场，经过周期相位平均，得到一个周期内不同相位典型的湍流雷诺应力和平均速度梯度的空间分布．利用湍流雷诺应力相位平均图像和平均速度梯度图像在不同时间相位下的空间互相关函数最大值对应的流向空间距离，得到湍流雷诺应力与平均速度梯度之间沿流向的空间相位差，并绘制流向相位差随周期相位的演变过程．本文验证了湍流复涡黏模型的合理性，为建立符合周期涡旋结构物理机理的湍流模型研究提供了实验依据．