壁湍流相干结构及其沟槽被动控制的PIV实验研究

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本文以壁湍流多尺度相干结构为研究对象，以研究沟槽减阻技术为目的，综合采用2D TR-PIV(two-dimensional time-resolved particle image velocimetry), TR-SPIV(time-resolved stereoscopic PIV)和TR-TPIV(time-resolved tomographic PIV)等三种粒子图像测速技术，分别采集得到了不同雷诺数下光滑壁面、沟槽壁面湍流边界层内速度矢量场数据库，并辅以流动显示和HWA(hot-wire anemometry)测量技术，保证了数据库的可靠性。
　　根据定义，分别计算得到Reθ≈2460时光滑壁面湍流边界层耗散尺度、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；其中耗散尺度、泰勒微分尺度随法向位置增加，剪切尺度在靠近壁面的区域随法向位置变化不明显，积分尺度基本不随法向位置变化。使用速度矢量对应分量的空间自相关法，计算得到的光滑壁面湍流边界层不同尺度湍涡的流向空间长度在小尺度情况下，总体上沿法向增大，且在近壁面，展向尺度与流向尺度相当，在湍流边界层外边界之外，湍涡结构的空间尺度逐渐趋于相等；大尺度的情况下，平板湍流边界层中湍涡结构的空间尺度随着法向位置先增加，后增加趋缓并基本保持不变，且总是流向尺度大于展向尺度，法向尺度最小。
　　通过改进的象限分裂法和新条件相位平均技术分层检测和提取得到了一种含“鞍点”的反对称“四极子”相干结构，该统计模型的空间拓扑形态具有相似性，且在法向相似性最好；它与“猝发”事件及脉动涡量之间存在内在联系，以“喷射”事件为检测中心时，Q2和Q1共同作用使得壁面低速流体喷向外区；以“扫掠”事件为中心检测，Q3、Q4事件使得外区高速流体扫向壁面，即该“四极子”相干结构“猝发”事件是湍流动能产生和耗散的媒介；沿着流向自上游向下游，“猝发”事件发生存在着一个Q4-S-Q2-Q3-Q2-Q1-Q4-S-Q2-Q3-Q2-Q1的准周期，Q2事件发生的概率高于Q4事件。这类含“鞍点”的相干结构动力系统模型，是湍流边界层内湍涡结构的普适模型，是湍流形成、发展及维持的重要原因。
　　零压力梯度光滑壁面和减阻沟槽壁面湍流边界层2D TR-PIV对比实验结果表明，在沟槽无量纲间距位于经典减阻曲线的黏性线性区时，在缓冲层内相同法向位置处，两类壁面湍流边界层各自基于摩擦速度的无量纲时均速度几乎相等，而对数律层明显外移，此时的减阻特征主要体现在沟槽壁面对对数律层的影响上，减阻主要与位于沟槽上方的（准）流向涡及其行为有关，流向涡的展向行为被抑制，边界层保持稳定；而对应沟槽间距位于减阻曲线的黏性线性区末段，减阻率在最优值附近，沟槽对边界层缓冲层影响明显，缓冲层厚度增加；减阻沟槽壁面无量纲时均速度明显增大，而在对数律层虽略有外移但趋于一致；减阻沟槽壁面湍流边界层沿流向湍流度及雷诺应力各分量皆比同条件下光滑壁面湍流边界层对应统计特征量要小，沟槽壁面降低了湍流边界层内流体的湍性；其沿流向平均偏斜因子和平坦因子总体上与光滑表面分布规律一致，但沟槽结构的存在降低了湍流边界层近壁区及对数律层的流向及法向偏斜因子，湍流流动的间歇性减小。
　　沟槽壁面对湍流边界层“四极子”相干结构“猝发”事件产生影响，使得Q2和Q4事件的法向脉动速度均明显减小，沟槽减阻主要体现在抑制流体的法向脉动上；另外，沟槽使得“四极子”涡对的涡量强度减弱，降低了其对低速流体的诱导能力。可见，一方面沟槽使得湍流“猝发”事件次数减少；另一方面使得“猝发”事件强度减弱。即在沟槽附近，低速条带的“猝发”不像光滑壁面那么剧烈，这种强度较弱的湍流“猝发”，不会导致近壁区的（准）流向涡发展演化形成所谓的发卡涡（包）结构，也不会诱导产生更小的湍涡结构，从而相应减弱了湍流边界层内相干结构的发展和边界层内动量的交换，抑制和破坏了湍流的自维持机制，从而实现壁面减阻。TR-TPIV速度矢量场数据分析结果进一步验证了沟槽对湍流边界层内三维典型“四极子”相干结构的影响。这类统计意义上的“四极子”相干结构存在于两种湍流边界层内不同法向高度处。沟槽削弱了边界层近壁区 Q2和Q4“猝发”事件发生时，三维“四极子”相干结构展向涡量的幅值。另外，“猝发”事件发生次数的统计值进一步表明沟槽对Q4事件的抑制最为明显，其抑制了边界层外区高速流体通过Q4事件扫向壁面的能力，从而减小了壁面摩擦阻力。沟槽的存在还使得湍流边界层内“四极子”相干结构的法向位置整体外移，三维性更为明显，且其流向尺度更大。总之，沟槽的减阻效应贯穿湍流边界层缓冲层、对数律层及外区。
　　另外，增阻沟槽湍流边界层烟雾流动显示实验证明了因“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性的出现，使得沟槽边界层时-空平均流向速度剖面出现拐点而产生的展向“类开尔文-亥姆霍兹”涡棍结构的存在性；它们在沟槽间距刚刚超出最优减阻区时形成，主要出现在沟槽壁面边界层+≈26以内；典型的“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡棍结构其流向波长+≈40-90，展向波长+≥100；流向相邻展向涡之间的距离?+≈150-200。TR-SPIV速度矢量场数据分析结果进一步验证了增阻沟槽湍流边界层内“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡棍结构的存在性及其各特征长度尺度的量级，它们的生成及发展是沟槽减阻失效甚至增阻的根本原因。

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作者
杨绍琼;
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作者单位

天津大学;

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授予单位天津大学;
学科力学
授予学位博士
导师姓名姜楠;
年度 2015
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 O357.52;
关键词
壁湍流; 湍流边界层; 相干结构; 沟槽壁面; 减阻技术;

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