【摘要】：明渠湍流是自然界及工程技術(shù)中廣泛存在的流動形態(tài),其中充滿了不同類型和尺度的相干結(jié)構(gòu),而渦是明渠湍流相干結(jié)構(gòu)的核心。對渦結(jié)構(gòu)的研究需要借助高頻多點測量技術(shù),需要有可靠的識別方法,其目的則應(yīng)同時關(guān)注渦的動力學(xué)作用及其與湍流統(tǒng)計理論之間的關(guān)系�；谶B續(xù)激光器和高速CMOS相機研發(fā)了一套適用于明渠湍流測量的高頻PIV系統(tǒng),系統(tǒng)的總體精度和對復(fù)雜流動的適應(yīng)能力均滿足明渠湍流測量的需求。明渠恒定均勻流試驗表明,PIV所測流場的精度、時間分辨率及空間分辨率均滿足對外區(qū)渦結(jié)構(gòu)進行研究的要求。推導(dǎo)了常用的基于速度梯度矩陣的二維渦識別方法,并對其中的旋轉(zhuǎn)強度方法進行了改進,分別利用正、負旋轉(zhuǎn)強度的條件平均值對正、負旋轉(zhuǎn)強度進行歸一化,消除了垂向不均勻性、渦的旋轉(zhuǎn)方向以及雷諾數(shù)對渦識別結(jié)果的影響,使渦識別結(jié)果更符合流動的基本特征。對明渠湍流中橫向渦的運動學(xué)參數(shù)的分析表明,順向渦和逆向渦沿水深具有不同的分布規(guī)律。在相同水深處,順向渦的數(shù)量多于逆向渦,平均半徑和平均強度均大于逆向渦。在靠近水面的區(qū)域,水面抑制渦的生長并加速渦的破碎,水面對橫向渦的影響主要表現(xiàn)為增加橫向渦的總量,減少逆向渦占橫向渦數(shù)量的比例,減小橫向渦的平均半徑,水面對明渠湍流的主要影響范圍是水面以下0.3倍水深。明渠湍流中橫向渦的演化過程可分為生長階段和衰減階段,且處于生長階段和衰減階段的橫向渦的比例相等。生長階段的橫向渦的尺寸和強度均較小,但強度會隨著時間不斷增強,除少部分橫向渦受強烈拉伸作用而變小外,大多數(shù)生長態(tài)橫向渦的尺寸均隨時間增大。衰減階段的橫向渦的尺寸和強度較大,但強度隨時間逐漸減弱,在衰減的早期,渦的尺寸逐漸增大,而在衰減的中后期,渦的有效尺寸逐漸減小。在壁面湍流中,雷諾應(yīng)力與紊動能的產(chǎn)生密切相關(guān),凈力(雷諾應(yīng)力的梯度)代表水流脈動引起的動量輸運對平均流動的影響。在明渠湍流的主流區(qū),橫向渦的誘導(dǎo)運動是雷諾應(yīng)力的重要來源,同時,橫向渦在自身誘導(dǎo)流場作用下的抬升運動顯著地促進凈力的產(chǎn)生。因此,橫向渦對明渠湍流的平均流動具有重要影響,是明渠湍流自維持機理的重要組成部分。
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圖片說明： 標準 PIV產(chǎn)品使用的粒子圖像分析方法(Adiran, 2005; Stanislas et al, 2性能方面，若以空間分辨率、精度和動態(tài)速度范圍作為衡量指標，維 PIV 系統(tǒng)的動態(tài)速度范圍可以達到 100~200(在同一幀流場中，最流速的比值)，，測量精度介于滿量程的 1%~2%，空間分辨率約為 1mterweel et al, 2013)。
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圖片說明： 圖 2.2由式(2.1)可知，對于給定波長的高斯光束18高斯光束特征參數(shù)示意圖對于給定波長的高斯光束，束腰半徑和遠場發(fā)散角的乘積束腰半徑和遠場發(fā)散角的乘積
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TV133

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本文編號：2515562