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.      

基于子波变换的周期扰动下壁湍流涡结构多尺度分析

指出了子波变换在分析含有周期成分的湍流脉动信号时所存在的问题，并给出解决方法；采用该方法，在边界层中沿法向研究了湍流边界层外区引入的周期扰动对其下游湍流中各尺度涡结构的作用。     

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.      

逆壁射流中射流剪切层内湍流结构特性的实验研究

采用粒子图像测速技术对逆壁射流全流场进行了实验测量,射流与主流的速度比为8.89,基于射流圆管内径的雷诺数为对射流中心线上不同流向位置的脉动速度场统计分析发现:在占据主导地位.在驻点附近(尺度进行分析,在x/D=46～51总尺度向射流下游发展呈减小趋势.在x/D=35～41,参考点下游尺度大于上游尺度.在本征正交分解方法对湍流结构进行了定量分析,发现模态能量集中在低频,流场中能量最大的模态频率为f D/Uj=0.000 5,出现在再循环区.频率为产生了湍流结构,并且沿再循环区外围输运.高频结构的构型是类似的,均位于射流剪切层内,且频率越高,越接近射流出口,尺度越小.     

吹吸扰动对壁湍流相干结构的影响

采用热线风速仪测量受吹吸扰动的壁湍流边界层的流向速度,用傅里叶变换和子波变换研究 吹吸扰动对壁湍流能谱的影响,结果显示施加的低频扰动使边界层内层大尺度结构的能量减 少,小尺度结构的能量有所增强,远离壁面时扰动强度逐步衰减直到在外层中消失;通过VITA 法和子波变换法检测猝发事件,表明该扰动降低了猝发强度,使猝发周期延长,条件平均速 度波形的幅值降低、持续时间变短,说明扰动明显抑制了相干结构的猝发过程. 利用子波变 换可以实现湍谱分析,能有效检测猝发中的湍流结构,是一种客观的分析工具.     

后向台阶湍流拟序结构的实验研究

在水槽中用氢气泡法观测了一个后向台阶的回流区、再附区和边界层再生区的大涡和湍流团的发展,以及近壁区的流动结构,观察到大涡结构对湍流团产生的作用。     

槽道湍流近壁区多尺度输运特性研究

利用槽道湍流直接数值模拟的数据库和离散正交子波,对近壁湍流的多尺度输运特性进 行了研究. 通过在流向和展向分别进行子波多尺度分解,得到了近壁区湍动能在流向和展向 多尺度传输的不同性质,发现流向传输以能量的反传为主,而在展向能量存在明显的正传, 并且当过滤尺度较大时以正传为主. 近壁湍流能量传输的各向异性为进一步构造各向异 性大涡模拟亚格子模式提供了必要的参考.     

实验研究具有周向抽吸轴对称射流的拟序结构

基于实验研究具有周向抽吸轴对称射流拟序结构的动力学行为,定义了临界出口主速度以及超临界工况（低速工况）和亚临界工况。提出了超临界工况下,拟序结构的空间演化特征。基于功率谱确定了超、亚临界工况流动系统发生自激励振荡的速度比范围。     

热射流拟序结构中混沌现象的实验研究

就开放流体系统中的热射流拟序结构的混沌现象进行了实验研究．发现流场在绝对不稳定情况（S＜0.72）下,环涡模式控制了整个流场．此时相空间中对应的动力系统发生倍周期和Hopf分岔,说明动力系统可通过Feigenbaum和RTN途径进入混沌．相关维、相关熵和Lyapunov指数的计算表明：在一定Re数下,动力系统的时间渐近行为已呈混沌态,表现为奇异吸引子,相关维数D2约为3．80．     

低雷诺数沟槽表面湍流/非湍流界面特性的实验研究

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.      

高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制分析

高超飞行器在中低空以极高马赫数飞行时,飞行器表面会遇到湍流与高温非平衡效应耦合作用的新问题.这种高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制是新型高超声速飞行器所关注的基础科学问题,厘清此产生机制可以为减阻方法的设计提供指导,具有重要的工程实用价值.本文选取高超声速飞行时楔形体头部斜激波后的高焓流动状态,开展了考虑高温非平衡效应的湍流边界层直接数值模拟研究,并设置同等边界层参数下的低焓完全气体湍流边界层流动作为对比,采用RD (Renard&Deck)分解技术研究了高焓湍流边界层摩阻的主要产生机制,对摩阻产生的主要贡献项积分函数分布进行了详细分析,研究了高温非平衡效应对摩阻产生的影响规律;采用象限分析技术,研究了摩阻分解湍动能生成项的主导流动事件.计算结果表明,高温非平衡效应会使得壁面摩阻脉动条带的流向和展向尺寸均减小.分子黏性耗散项和湍动能生成项是高焓湍流边界层摩阻生成的主要流动过程.分子黏性耗散项主要作用在近壁区,高焓流动的分布与低焓流动存在差异.象限分析表明,上抛和下扫运动是影响摩阻分解中湍动能生成项的主导事件.     

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.      

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.     

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.     

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.      

用平均速度剖面法测量壁湍流摩擦阻力

用IFA300恒温热线风速仪精细测量风洞中不同雷诺数流动条件下的平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面．利用平板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、流体黏性系数等内尺度物理量的关系和壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系,在准确测量平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上,测量平板湍流边界层的壁面摩擦阻力．实现了平板湍流边界层壁面摩擦阻力的无干扰或微小干扰测量．该种方法操作简便,不需要在流场中安装测力天平、传感器等复杂的测量装置,不需要对湍流边界层的壁面进行破坏,不会影响湍流边界层壁面附近区域原有的流场条件,是一种切实可行的测量平板湍流边界层壁面摩擦阻力的简便方法．     

大气边界层模拟的湍流相似

大气边界层的风洞模拟,是目前研究建筑物风载,污染质的大气扩散,以及解决某些环境科学和军事科学中大型课题的重要手段之一。在许多国家,风洞模拟已成为环境部门设计大型工程、林区、厂区和城区规划的主要依据。最初的大气边界层模拟装置,仅考虑形成一定的平均风速廓线,并未考虑到气流的湍流特性。微气象学的研究表明,大气的湍流特性是影响扩散的主要因素。特别是Monin和Obukhov通过大量实测资料提出大气表面层中的相似性理论,成为研究大气扩散的重要依据。从50年代开始,一些研究大气扩散和建筑物风载问题的长实验段风洞相继筹划和建立。其中较著名的有,美国科罗拉多州立大学的1.8米×1.8米×30米的回流式长实验段气      

曲率和旋转对离心叶轮叶片上湍流边界层的影响

本文将曲率和旋转项引入二维湍流边界层动量方程中,导出动量损失厚度的积分关系式。分析了曲率和旋转对湍流结构的直接影响,并提出壁面速度分布律的修正表达式。