湍流边界层空间特征尺度的层析TRPIV测量

利用层析TRPIV测量得到的平板湍流边界层三维三分量速度场数据库,计算得到了平板湍流边界层空间耗散尺度、剪切尺度、泰勒微分尺度、积分尺度等典型空间特征尺度分别为3～5,40～100,20～50,4000个壁面单位,发现耗散尺度随法向位置缓慢增加,剪切尺度在靠近壁面的区域随法向位置变化不明显,积分尺度已不随法向位置变化....     

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。     

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.      

圆柱尾迹影响旁路转捩末期发卡涡涡包的研究

基于TR-PIV技术, 通过侧视和俯视两种情况对圆柱尾迹影响下旁路转 捩末期发卡涡涡包的结构及特征尺寸进行了实验研究. 结合二维空间子波变换和\lambda _{ci}准则, 运用线性随机估计方法对速度信号进行条件平均. 在侧视情况下, 条件平均结 果显示, 在边界层中一系列发卡涡涡头与壁面构成17^{\circ}的倾角, 并且被尾迹涡所占据的低 速区域出现在涡包上方的主流区中. 在俯视的结果中, 沿流向方向拉伸(流向尺度 3\delta, 展向尺度0.55δ)的低速条带结构出现在法向高 度为y/δ =0.2的流向-展向平面中, 并且在该低速条带的两侧对称地出 现了沿流向分布的反向旋转的涡结构. 可以得出: 在圆柱尾迹影响下旁路转捩的末期, 由于 尾迹涡诱导作用的影响, 发卡涡涡包在形态上显示出了更大尺度的特征.     

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.      

壁面湍流标度律的PIV实验研究

利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层内的自相似标度律在不同的壁面距离的具体表达形式进行了实验研究。在动量损失雷诺数（Reθ=2167）下测量平板湍流边界层内的二维瞬时速度场。应用小波分析和传统统计学方法,在垂直于平板的平面内,对不同法向位置的自相似的标度律的具体形式及其随尺度的变化情况进行考察,并与已知的She-leveque（简称SL）标度律进行比较分析。结果表明,越接近壁面,结构函数的概率密度曲线尾部越宽,表现出逐渐增强的间歇性;并且随着壁面距离的减小,ESS标度律曲线与SL标度律曲线之间的差别也就越大,而新形式标度律曲线则与SL标度律曲线的差别逐渐减小。在提取的结构尺度一样时,结构函数的标度指数随法向位置的不同变化不大,但是随着提取结构尺度的增加,两种形式的标度律适用的尺度范围也在逐渐增大。     

固体颗粒对沟槽湍流边界层影响的实验研究

本文采用粒子图像测速技术(particles image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板湍流边界层中的平壁和沟槽壁面减阻效果的影响. 实验对清水和加入粒径为155 μm聚苯乙烯颗粒的流法向二维速度场信息进行采集, 对不同工况下的平均速度剖面、雷诺应力和湍流度等统计量进行对比, 分析流体在边界层中的行为. 运用空间局部平均结构函数提取了不同工况湍流边界层喷射?扫掠行为的空间拓扑结构并进行比较. 结果发现, 在不同的壁面条件下, 粒子加入后的对数律区中无量纲速度均略大于清水组, 雷诺切应力有所降低, 湍流度有所减弱. 对于不同流场速度下的沟槽而言, 颗粒的加入均降低了壁面附近的阻力, 而颗粒单独作用于光滑壁面的减阻效果并不明显. 加入粒子后的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度下降. 沟槽壁面附近的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度在自由来流速度较大时有所上升, 在速度较小时有所下降. 这表明不同减阻状况下的沟槽均能将大涡破碎成更多的涡, 并且粒子的加入强化了这种破碎作用.      

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.      

含有周期涡结构的湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的迟滞效应

针对存在时空周期涡旋结构的湍流场,对湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的空间迟滞效应进行了实验研究,发现二者流向相位差呈周期变化．在低速回流式水槽中,利用二维高时间分辨率粒子图像测速(TimeResolved Particle Image Velocimetry, TRPIV)技术,对Re=324的圆柱尾流流场进行测量．经过49个周期166个相位的8 215个PIV瞬时流场,经过周期相位平均,得到一个周期内不同相位典型的湍流雷诺应力和平均速度梯度的空间分布．利用湍流雷诺应力相位平均图像和平均速度梯度图像在不同时间相位下的空间互相关函数最大值对应的流向空间距离,得到湍流雷诺应力与平均速度梯度之间沿流向的空间相位差,并绘制流向相位差随周期相位的演变过程．本文验证了湍流复涡黏模型的合理性,为建立符合周期涡旋结构物理机理的湍流模型研究提供了实验依据．     

逆向涡对超疏水壁面减阻影响的TRPIV实验研究

超疏水壁面由于具有减阻和自清洁功能而成为国内外减阻和海洋防污等研究领域的热点之一,而20世纪湍流中相干结构的发现为湍流的控制指出新的方向,尤其近壁区涡结构对摩擦阻力贡献很大.利用高时间分辨率粒子图像测速技术,研究了超疏水壁面(SH)以及亲水壁面(PH)湍流边界层中正负展向涡的空间分布特征,研究逆向涡对超疏水壁面近壁区流动结构的影响和超疏水壁面的减阻机理.首先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)和逆向涡,实现了准确识别涡心并排除小尺度涡的干扰;然后根据检测到的顺向涡和逆向涡流线分布图,发现逆向涡始终处于正向涡的上游和下方,并且对正向涡的进一步发展起抑制作用;最后对两种壁面边界层中逆向涡数量以及出现概率进行对比,发现具有减阻效果的超疏水壁面边界层中出现更多逆向涡.说明逆向涡可抑制上方顺向涡与壁面的强烈剪切,并使靠近壁面的流体加速,从而产生减阻效果;超疏水壁面中涡结构具有更大的β角,使其更好地阻碍了发卡涡头附近强烈的喷射和扫略;超疏水壁面逆向涡出现概率明显大于亲水壁面.这些结果表明:超疏水壁面表现出的减阻特性(Reδ≈13 500,减阻5.8%)与两板产生逆向涡的差异有关.     

Multi-scale coherent structures in turbulent boundary layer detected by locally averaged velocity structure functions

Introduction Inearlyperiodofstudyofturbulentflow,itwasdeemedrandomanddisorderedmotionsof fluidparticles,sothecharacteristicsofturbulencewerestudiedbystatisticsaveragemethod. Kolmogorov[1]analyzedtherelativemotionoffluidparticlesinfullydeveloped(Reynolds numbertrendstoinfinity)isotropicandhomogeneousturbulentflow,onbasisofrandomfield theory,andpresentedtheconceptofstructurefunctions,whichdescribedtherelativevelocityof twofluidparticlesindistanceofl,toresearchthelawbetweenthemulti_orderstatistic…     

Study on local topology model of low/high streak structures in wall-bounded turbulence by tomographic time-resolved particle image velocimetry

The relationship between the bursting event and the low/high-speed streak in the logarithmic law (log-law) region of a turbulent boundary layer is investigated. A tomographic time-resolved particle image velocimetry (TRPIV) system is used to measure the instantaneous three-dimensional-three-component (3D-3C) velocity field. The momentum thickness based Reynolds number is about 2 460. The topological information in the log-law region is obtained experimentally. It is found that the existence of the quadrupole topological structure implies a three-pair hairpin-like vortex packet, which is in connection with the low/high-speed streak. An idealized 3D topological model is then proposed to characterize the observed hairpin vortex packet and low/high-speed streak.     

自由湍射流边界层标度律的实验测量

用IFA300热线风速仪以低于最小低湍流时间尺度的高分辨率，精细测量了圆自由射流中同一流向断面内不同径向位置的流向速度分量，研究了不同径向位置的非均匀、非各向同性对充分发展湍流速度结构函数自相似标度律及其层次结构模型的影响。     

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。     

环空流道液流失速水击特性及其成因的研究

环空流道与圆管的结构差异,使得其失速水击特性及其成因亦有不同。为了对其进行分析研究,利用PIV对套管环空和圆管流水击流场进行拍摄,并通过Tecplot显示流场,提取轴向速度和径向速度、等速度线等参数加以分析;同时采用高精度智能动态压力传感器采集了套管环空内、外壁及内管内壁压力,对环空中水击特性进行了进一步研究。结论是:水击发生时环空断面外壁面水击压力大于内壁面水击压力;同初速情况下环空液流水击压力大于圆管流水击压力;环空中水击压力衰减速度快于圆管中;涡流是水击压力衰减以及速度变化的主要因素;水击压力振荡变化主要是压力涡流引起的断面能量的相互转化形成的。     

Permissible Height of the Surface Roughness in a Turbulent Boundary Layer with a Streamwise Pressure Gradient

The results of an experimental investigation of the effect of the streamwise pressure gradient in a turbulent boundary layer on the permissible height of the surface roughness of bodies in an incompressible fluid flow are presented. The permissible roughness Reynolds number for which the characteristics of the turbulent boundary layer remain the same as in the case of flow past a smooth surface is determined.     

低湍流度风洞中湍流度对平板边界层转捩影响的试验研究

本文报告了在西北工业大学壁低流度风洞中进行了平板边界层转捩试验研究的简况及初步结果，试验湍流度为０．０２％、０．１％及０．３３％，用恒温热线风速仪测量时均速度型，求得边界层沿流向的位移厚度分布，并用示波器观察速度脉动脉形变化，从而确定起始转捩点和完全转捩点位置。结果表明，转捩的规律性和国外经典结果极为吻合。     

Tomographic PIV investigation on coherent vortex structures over shark-skin-inspired drag-reducing riblets

Nature has shown us that the microstructure of the skin of fast-swimming sharks in the ocean can reduce the skin friction drag due to the well-known shark-skin effect.In the present study,the effect of shark-skin-inspired riblets on coherent vortex structures in a turbulent boundary layer(TBL) is investigated.This is done by means of tomographic particle image velocimetry(TPIV) measurements in channel fl ws over an acrylic plate of drag-reducing riblets at a friction Reynolds number of 190.The turbulent fl ws over drag-reducing riblets are verifie by a planar time-resolved particle image velocimetry(TRPIV) system initially,and then the TPIV measurements are performed.Two-dimensional(2D) experimental results with a dragreduction rate of around 4.81% are clearly visible over triangle riblets with a peak-to-peak spacing s+of 14,indicating from the drag-reducing performance that the buffer layer within the TBL has thickened;the logarithmic law region has shifted upward and the Reynolds shear stress decreased.A comparison of the spatial topological distributions of the spanwise vorticity of coherent vortex structures extracted at different wall-normal heights through the improved quadrant splitting method shows that riblets weaken the amplitudesof the spanwise vorticity when ejection(Q2) and sweep(Q4) events occur at the near wall,having the greatest effect on Q4 events in particular.The so-called quadrupole statistical model for coherent structures in the whole TBL is verified Meanwhile,their spatial conditional-averaged topological shapes and the spatial scales of quadrupole coherent vortex structures as a whole in the overlying turbulent fl w over riblets are changed,suggesting that the riblets dampen the momentum and energy exchange between the regions of near-wall and outer portion of the TBL by depressing the bursting events(Q2 and Q4),thereby reducing the skin friction drag.