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.     

壁湍流相干结构和减阻控制机理研究

剪切湍流中相干结构的发现是上世纪湍流研究的重大进展之一,这些大尺度的相干运动在湍流的动力学过程中起重要作用,也为湍流的控制指出了新的方向.壁湍流高摩擦阻力的产生与近壁区流动结构密切相关,基于近壁区湍流动力学过程的减阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力,但是随着雷诺数的升高,这些控制方案的有效性逐渐降     

壁湍流相干结构的教学实验（八）—用数字滤波法检测壁湍流相干结构

通过用三丝热膜探针测量湍流边界层的三个速度分量对壁端相干结构进行了实验研究,介绍了检测壁湍流相干结构的数字滤波法。     

壁湍流相干结构的教学实验(八)─—用数字滤波法检测壁湍流相干结构

通过用三丝热膜探针测量湍流边界层的三个速度分量对壁湍流相干结构进行了实验研究,介绍了检测壁湍流相干结构的数字滤波法．     

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。     

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。     

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。     

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。     

壁面加热湍流相干结构的子波分析实验研究

通过在平板湍流边界层沿流向固壁表面平行放置若干条通电加热的金属细丝,在平板表面形成沿展向周期性分布的温度场,利用该温度场引起的空气热对流,在湍流边界层近壁区域产生一组沿湍流边界层展向周期分布的大尺度流向涡结构,改变了平板湍流边界层中不同尺度结构及其能量分布。采用对壁湍流多尺度结构的子波分析表明,在湍流边界层近壁区域产生规则的流向涡结构将壁湍流各种尺度湍涡结构不规则的脉动有序地组织起来,抑制了壁湍流各种尺度湍涡结构脉动,特别抑制了能量最大尺度湍涡结构的脉动,减小由于湍流脉动引起的在湍流边界层法向和展向的动量和能量损耗,从而减小了湍流的阻力。     

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.     

On the Relation between Fronts and High-Shear Layers in Wall Turbulence

Direct numerical simulation results of turbulent channel flow are analyzed in order to examine the relation between two kinds of near-wall flow structures, namely the instantaneous shear layers and the fronts which are derived from two-point statistics of the streamwise velocity component. The near-wall shear layers are analyzed by flow visualizations and conditional sampling, while the fronts are examined by means of space-time correlations and spatial two-point correlation functions. The present study focuses on the analysis of the propagation speed and the spatial shape of the structures. Concerning the propagation speed it is shown that the results obtained from flow visualizations are in close agreement with the propagation velocities derived from space-time correlation functions. The comparison of VISA results for the instantaneous shear with spatial structures obtained from two-point correlations of the streamwise velocity and the shear gives evidence that the fronts are intimately related to the pronounced near-wall shear layers.     

Visualization and analysis of longitudinal vortices at curved walls of 2D laminar and turbulent channel flows

The 3D structure of longitudinal vortices at the curved walls of both laminar and turbulent channel flows are visualized by the hydrogen bubble technique. Together with the conditional sampling of the turbulent characteristics at the wall processed by the VITA method the dynamics of the near-wall structure is discussed. The project is supported by National Natural Science Foundation of China.     

热湍流研究的新十年: 从聚焦传统到延伸拓展

热湍流 (浮力驱动湍流) 作为一种典型的湍流现象, 广泛存在于自然界和工程应用中. Rayleigh-Bénard (RB) 湍流是从众多自然现象中抽象出来研究热湍流的经典模型, RB湍流的典型特征是系统中存在大尺度环流和羽流等不同尺度的湍流结构, 这些结构通过作用于边界层, 影响RB湍流的输运效率. 因此, 明确不同尺度湍流结构的生成、演化和作用机理, 对理解RB湍流的输运特性至关重要, 也是通过控制湍流结构调控输运效率的科学基础. 本文重点从湍流结构的时空演化规律、输运特性、湍流调控和热湍流在其他领域的拓展四个方面评述近十年来RB湍流研究所取得的新进展, 并对今后的研究方向做出展望.     

沟槽面湍流边界层减阻的TRPIV测量

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.     

Vortex quadrupoles and two-dimensional oscillating grid turbulence

The planar motions induced by a localized forcing of the type of a point force-dipole is reproduced using a vertical rod oscillating horizontally in a thin layer of fluid. This forcing gives rise to the formation of a vortex quadrupole. To model a chaotic vortical flow, a system of quadrupoles is generated using a linear grid of oscillating rods. As a result of quadrupole interactions, a turbulent layer with two sharp boundaries forms and propagates from the grid.     

On the Mechanism of Turbulent Coherent Structure(Ⅰ)──The Physical Model o

ＯＮＴＨＥＭＥＣＨＡＮＩＳＭＯＦＴＵＲＢＵＬＥＮＴＣＯＨＥＲＥＮＴＳＴＲＵＣＴＵＲＥ（Ｉ）──ＴＨＥＰＹＳＩＣＡＬＭＯＤＥＬＯＦＴＨＥＣＯＨＥＲＥＮＴＳＴＲＵＣＴＵＲＥＦＯＲＴＨＥＳＭＯＯＴＨＢＯＵＮＤＡＲＹＬＡＹＥＲＴｓａｉｓｈｕ－ｔａｎｇ（蔡树棠...