流动稳定性问题

文中综述了近年来在平行流稳定性方面的主要进展.论述了自由剪切流中相干结构与流动稳定性的关系及其重要性.指出了湍流边界层底层的相干结构有可能是一种不稳定波,还论述了流动稳定性理论在减阻这类技术问题中可能起的作用.     

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.     

湍流边界层大尺度相干结构空间相位平均拓扑

湍流边界层大尺度相干结构(large-scale coherent structure,LSCS)是目前湍流边界层研究的热点之一.湍流边界层中存在大尺度相干结构均是通过各种谱的低波数峰值证实的,而对大尺度相干结构各种物理量的空间拓扑形态及其发展演化规律还缺乏研究.应用高时间分辨粒子图像测速多相机阵列系统,测量湍流边界层...     

壁湍流多尺度相干结构复涡黏模型的实验研究

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.     

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．     

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。     

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.     

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.     

壁湍流相干结构的教学实验(三)--检测壁湍流相干结构的条件采样方法

用热膜测速仪测量水槽中平板湍流边界层,用条件采样方法中的ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法和ＶＩＴＡ法检测壁湍流相干结构的猝发过程,认识壁湍流相干结构猝发过程中的速度信号变化特征。     

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.     

A mechanism for excitation of coherent structures in wall region of a turbulent boundary layer

Introduction Themechanismforthegenerationofcoherentstructuresinthewallregionofaturbulent boundarylayerhasalwaysbeeninconcernandinvestigated.AccordingtoTsujimotoand Miyake[1],thecharacteristicsofturbulenceinthewallregionweremainlydeterminedbythe generationandevolutionofcoherentstructures,notbythesmall_scaleturbulence.However, excitationsfromregionofy >60werefoundtobenecessary,otherwisethewallregionwould degeneratetolaminarflow.Therefore,theinvestigationofthemechanismthathowcoherent structuresi…     

Instability waves in the wall region of a turbulent boundary layer on a flat plate

Coherent structures and the bursting phenomena in the wall region of a turbulent boundary layer play a very important role in determining the characteristics of the boundary layer. Yet the nature and the origin of the coherent structures are unclear until now. In this paper, nonlinear stability calculations for the wall region of a turbulent boundary layer have been made. It was found that there do exist instability waves which may be responsible for the coherent structures. The project is supported by the National Natural Science Foundation of China.     

Formation of intermittent region by coherent motions in the turbulent boundary layer: Coherent motions and intermittent region

Coherent motions in the turbulent boundary layer and their relation to the large-scale structures in the intermittent region are investigated experimentally. Using conditional sampling technique, we have shown that a coherent motion is a pair of counter-rotating fluid motions. These coherent motions of various sizes take place in the turbulent boundary layer. Most of them are short and are found only near the wall, but some are tall enough to reach the outer edge of the boundary layer. The turbulent bulges of the intermittent region are formed by these tall coherent motions.     

A bypass wake induced laminar/turbulent transition

The process of laminar to turbulent transition induced by a von Karman vortex street wake, was studied for the case of a flat plate boundary layer. The boundary layer developed under zero pressure gradient conditions. The vortex street was generated by a cylinder positioned in the free stream. An X-type hot-wire probe located in the boundary layer, measured the streamwise and normal to the wall velocity components. The measurements covered two areas; the region of transition onset and development and the region where the wake and the boundary layer merged producing a turbulent flow. The evolution of Reynolds stresses and rms-values of velocity fluctuations along the transition region are presented and discussed. From the profiles of the Reynolds stress and the mean velocity profile, a ‘negative' energy production region along the transition region, was identified. A quadrant splitting analysis was applied to the instantaneous Reynolds stress signals. The contributions of the elementary coherent structures to the total Reynolds stress were evaluated, for several x-positions of the near wall region. Distinct regions in the streamwise and normal to the wall directions were identified during the transition.     

A theoretical model of the coherent structure in the wall region of a turbulent boundary layer

In this paper,the formation of the coherent structures in the wall region of aturbulent boundary layer was studied,using the nonlinear theory of the hydrodynamicstability.The spanwise and streamwise wavelengths of the most amplified unstablewave obtained by this study were found in good agreement with the experiments,whichmakes the distinct feature of this study in the present paper,as the basis of thestability analysis,a more rational velocity profile has been used,which is different fromthat of the turbulent mean flow.And also,the new nonlinear theory was used.Theresult is useful in understanding of the quasi-periodicity of the coherent structure in theturbulent boundary layer.     

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.      

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。     

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。     

壁湍流相干结构和减阻控制机理

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低.近年来研究发现, 在高雷诺数情况下外区存在大尺度的相干运动,这种大尺度运动对近壁区湍流和壁面摩擦阻力的产生有重要影响,为高雷诺数湍流减阻控制策略的设计提出了新的挑战.该文将对壁湍流相干结构的研究历史加以简单的回顾,重点介绍近壁区相干结构及其控制机理、近年来高雷诺数外区大尺度运动的研究进展,在此基础上提出高雷诺数减阻控制研究的关键科学问题.