湍流边界层复涡黏模式的实验研究

在开口式循环水槽底部湍流边界层外区引入周期性扰动。利用X型热膜探针在扰动下游进行测量。用实验的方法研究了周期性大尺度结构下壁湍流涡黏模式中涡黏系数的形式，结果发现和周期性扰动对应的变形率及与之对应的雷诺应力间存在着相位差。这是目前许多最终导致涡黏系数的湍流模式理论都没有考虑到的一个重要因素。     

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。     

湍流边界层相干结构剩余脉动雷诺应力项的实验测量

用IFA300恒温热线风速仪和X形二分量热线探针以采样间隔小于湍流耗散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、法向速度分量的时间序列信号。用条件采样和相位平均技术提取了相干结构猝发过程中相干结构剩余脉动雷诺应力和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力的条件相位平均波形。基于理论上对湍流相干结构动量方程中随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力和相干结构剩余脉动雷诺应力项的分析,对两种雷诺应力项进行了对比研究。研究发现,相干结构剩余脉动雷诺应力项在数值上具有和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力相同的数量级,表明在相干结构动力学模型方程中,相干结构剩余脉动雷诺应力项并不像以前估计的那样可以忽略不计。     

提取壁湍流相干结构的数字滤波法

以三丝热线探头测得平板湍流边界层的数据为对象，提出用数字滤波技术将湍流信号分解为接近各向同性的小尺度涡和非各向同性的大尺度涡的方法。并用条件采样技术从大涡信号中提取相干结构。     

壁湍流相干结构的教学实验(七)--用象限法检测壁湍流相干结构

介绍了检测壁湍流相干结构的ｕｖ象限分裂法。     

湍流边界层外区相干结构的三维波模型

根据流动稳定性理论,提出了一种三维波模型来描述湍流边界层外区大尺度相干结构。计算所得流线图和等涡量线图较罗纪生,周恒（1993）的二维波模型更符合实验结果。说明该三维模型能够较好地反映湍流边界层外区大尺度相干结构的物理特征。     

壁湍流相干结构尺度及边界层内的SL标度律

利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层中相干结构的多种空间尺度和边界层内SL 标度律在不同尺度下的具体表达形式进行了实验研究. 实验在两个动量损失厚度雷诺数 (Re_{\theta}=628.5和Re_{\theta}=1032.9)下测量平板湍流边界层中缓冲 层、对数区和外区的二维瞬时速度场. 应用 小波分析以及传统的统计学方法,在垂直于平板和平行于平板的平面内考察平板湍流边界层 中存在的相干结构的流向和展向尺度,并与已知的相干结构尺度实验结果进行了对比分析. 利用在动量损失厚度雷诺数628.5下测得的数据,对多种脉动结构(脉动速度结构等) 的空间关系及其标度律进行了研究. 第2项工作直接利用湍流边界层空间速度分布,对多种 流场尺度结构内部的She-Leveque(简称SL)标度律及自相似律进行了验证. 结果表明,各 单一流场尺度结构内部,流向脉动速度{\pmb u}'、法向脉动速度{\pmb v}'及 脉动涡分量\d {\pmb v}'/\d {\pmb x}的统计结构量均存在明显的标度律,标度 指数的形式与自相似律和SL标度律均非常吻合,只是常数随流场尺度的不同而不同, 且呈现一定的规律性. 但对于结构量的五阶矩随距离l的研究表明,自相似律和SL 标度律成立的范围并不完全一致,同时标度律成立的范围大小与流场尺度有明显关系.     

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.     

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。     

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.      

Experimental research on complex eddy viscosity modeling of multi-scale coherent structures in wall turbulence

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性 模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式. 基于非相干结构成分对相干结构贡 献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成 分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设. 应用热线测速技术,在低速风洞中对湍 流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位 关系进行了实验测量. 通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的 雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度 法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模 型的合理性.     

有序波状扰动对壁湍流相干结构的作用

本文在湍流边界层外层引入了正弦波状扰动;实验结果表明扰动波波幅沿流向是衰减的,衰减率与 Landahl(1967)的线性理论结果定性一致。本文发现在扰动波沿流向的演化过程中,出现以扰动波频率为基频的高次谐波。外层单一频率的扰动会减小内层的猝发平均周期,影响内层的流动结构。     

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.      

剪切湍流的涡黏张量模式

对剪切湍流提出了涡黏系数为四阶张量的涡黏张量模式。引入近代数学中Ｍｏｏｒｅ－Ｐｅｎｒｏｓｅ广义逆矩阵的研究结果，给出了构造涡黏张量各分量的计算公式。用平面后台阶流动验算了剪切湍流的涡黏张量模式，比ＲＳＭ和ｋ－ε模式更接近实验结果。提出了剪切湍流涡黏张量模式的应用设想。     

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.     

湍流的相干结构:推演方法和结果

本文讨论壁面湍流发展的相干结构的观点.在简要的历史文献综述后,我们回顾一些基本观点, 并且介绍相干结构的思想.基于大量主要是由实验所得的结果,本文通过广泛运用的事件检 测技术,探讨湍流边界层内部和外部区域发生的现象.我们从边界层内部区域发生的现象、 边界层外部大尺度运动的发展和涡结构动力学的角度来描述流动的现象.在文章的 第2部分,介绍从背景流动中推演出湍流相干结构的各种方法以及在各种方法框架下所得到的结果, 讨论速度梯度张量不变量、压力的Hessian矩阵分析和本征正交分解等方法.每一个过程 都有``相干结构'的特定的定义,满足恰当的数学构架,并可以对湍流数据做相干结构动力 学分析.这一工作可能会对当前流体动力学家在湍流研究中用到的最新理论和技术的传播有 所贡献.     

固壁温度对壁湍流相干结构的影响

用半导体元件对平板进行加热，用ＶＩＴＡ法和ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法两种条件采样技术研究了固壁温度对湍流相干结构的影响，改进了Ｔｉｅｄｅｒｍａｎ等人提出的“归组”方法，并且用“归组”的ＶＩ－ＴＡ法和ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法研究了固壁加热对湍流猝发平均周期的影响．实验结果表明，固壁加热使得湍流脉动速度均方根值变大，条件采样检测到的事件数量增多，但猝发周期维持不变     

壁湍流结构的二维子波分析

对槽道湍流直接数值模拟的脉动速度场进行了二维子波分析。研究了近壁区低速条带结构的多尺度特性。利用定义的局部雷诺应力测度结合平坦因子的方法对湍流脉动速度分解,得到脉动速度的间歇成份和高斯成份。用局部雷诺应力测度正的峰值为特征,通过条件统计平均,得到近壁区典型的拟序结构。