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.     

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。     

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.     

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.      

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.     

壁面展向周期振动的槽道湍流减阻机理的研究

利用直接数值模拟研究了带有壁面展向周期振动的槽道湍流.壁面在展向的周期运动使湍流受到抑制,并使壁面摩擦阻力减小.通过对雷诺应力输运方程的分析研究了壁面展向周期振动的减阻机理,进一步揭示了压力变形项在湍流抑制中的关键作用.     

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.