發(fā)布時(shí)間：2017-04-06 06:17

  本文關(guān)鍵詞：壁湍流相干結(jié)構(gòu)及其溝槽被動(dòng)控制的PIV實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本文以壁湍流多尺度相干結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,以研究溝槽減阻技術(shù)為目的,綜合采用2D TR-PIV(two-dimensional time-resolved particle image velocimetry),TRSPIV(time-resolved stereoscopic PIV)和TR-TPIV(time-resolved tomographic PIV)等三種粒子圖像測(cè)速技術(shù),分別采集得到了不同雷諾數(shù)下光滑壁面、溝槽壁面湍流邊界層內(nèi)速度矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù),并輔以流動(dòng)顯示和HWA(hot-wire anemometry)測(cè)量技術(shù),保證了數(shù)據(jù)庫(kù)的可靠性。根據(jù)定義,分別計(jì)算得到Reθ≈2460時(shí)光滑壁面湍流邊界層耗散尺度、剪切尺度、泰勒微分尺度、積分尺度等典型空間特征尺度分別為3-5,40-100,20-50,4000個(gè)壁面單位;其中耗散尺度、泰勒微分尺度隨法向位置增加,剪切尺度在靠近壁面的區(qū)域隨法向位置變化不明顯,積分尺度基本不隨法向位置變化。使用速度矢量對(duì)應(yīng)分量的空間自相關(guān)法,計(jì)算得到的光滑壁面湍流邊界層不同尺度湍渦的流向空間長(zhǎng)度在小尺度情況下,總體上沿法向增大,且在近壁面,展向尺度與流向尺度相當(dāng),在湍流邊界層外邊界之外,湍渦結(jié)構(gòu)的空間尺度逐漸趨于相等;大尺度的情況下,平板湍流邊界層中湍渦結(jié)構(gòu)的空間尺度隨著法向位置先增加,后增加趨緩并基本保持不變,且總是流向尺度大于展向尺度,法向尺度最小。通過(guò)改進(jìn)的象限分裂法和新條件相位平均技術(shù)分層檢測(cè)和提取得到了一種含“鞍點(diǎn)”的反對(duì)稱“四極子”相干結(jié)構(gòu),該統(tǒng)計(jì)模型的空間拓?fù)湫螒B(tài)具有相似性,且在法向相似性最好;它與“猝發(fā)”事件及脈動(dòng)渦量之間存在內(nèi)在聯(lián)系,以“噴射”事件為檢測(cè)中心時(shí),Q2和Q1共同作用使得壁面低速流體噴向外區(qū);以“掃掠”事件為中心檢測(cè),Q3、Q4事件使得外區(qū)高速流體掃向壁面,即該“四極子”相干結(jié)構(gòu)“猝發(fā)”事件是湍流動(dòng)能產(chǎn)生和耗散的媒介;沿著流向自上游向下游,“猝發(fā)”事件發(fā)生存在著一個(gè)Q4-S-Q2-Q3-Q2-Q1-Q4-S-Q2-Q3-Q2-Q1的準(zhǔn)周期,Q2事件發(fā)生的概率高于Q4事件。這類含“鞍點(diǎn)”的相干結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)模型,是湍流邊界層內(nèi)湍渦結(jié)構(gòu)的普適模型,是湍流形成、發(fā)展及維持的重要原因。零壓力梯度光滑壁面和減阻溝槽壁面湍流邊界層2D TR-PIV對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在溝槽無(wú)量綱間距位于經(jīng)典減阻曲線的黏性線性區(qū)時(shí),在緩沖層內(nèi)相同法向位置處,兩類壁面湍流邊界層各自基于摩擦速度的無(wú)量綱時(shí)均速度幾乎相等,而對(duì)數(shù)律層明顯外移,此時(shí)的減阻特征主要體現(xiàn)在溝槽壁面對(duì)對(duì)數(shù)律層的影響上,減阻主要與位于溝槽上方的(準(zhǔn))流向渦及其行為有關(guān),流向渦的展向行為被抑制,邊界層保持穩(wěn)定;而對(duì)應(yīng)溝槽間距位于減阻曲線的黏性線性區(qū)末段,減阻率在最優(yōu)值附近,溝槽對(duì)邊界層緩沖層影響明顯,緩沖層厚度增加;減阻溝槽壁面無(wú)量綱時(shí)均速度明顯增大,而在對(duì)數(shù)律層雖略有外移但趨于一致;減阻溝槽壁面湍流邊界層沿流向湍流度及雷諾應(yīng)力各分量皆比同條件下光滑壁面湍流邊界層對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)特征量要小,溝槽壁面降低了湍流邊界層內(nèi)流體的湍性;其沿流向平均偏斜因子和平坦因子總體上與光滑表面分布規(guī)律一致,但溝槽結(jié)構(gòu)的存在降低了湍流邊界層近壁區(qū)及對(duì)數(shù)律層的流向及法向偏斜因子,湍流流動(dòng)的間歇性減小。溝槽壁面對(duì)湍流邊界層“四極子”相干結(jié)構(gòu)“猝發(fā)”事件產(chǎn)生影響,使得Q2和Q4事件的法向脈動(dòng)速度均明顯減小,溝槽減阻主要體現(xiàn)在抑制流體的法向脈動(dòng)上;另外,溝槽使得“四極子”渦對(duì)的渦量強(qiáng)度減弱,降低了其對(duì)低速流體的誘導(dǎo)能力�？梢�,一方面溝槽使得湍流“猝發(fā)”事件次數(shù)減少;另一方面使得“猝發(fā)”事件強(qiáng)度減弱。即在溝槽附近,低速條帶的“猝發(fā)”不像光滑壁面那么劇烈,這種強(qiáng)度較弱的湍流“猝發(fā)”,不會(huì)導(dǎo)致近壁區(qū)的(準(zhǔn))流向渦發(fā)展演化形成所謂的發(fā)卡渦(包)結(jié)構(gòu),也不會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生更小的湍渦結(jié)構(gòu),從而相應(yīng)減弱了湍流邊界層內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的發(fā)展和邊界層內(nèi)動(dòng)量的交換,抑制和破壞了湍流的自維持機(jī)制,從而實(shí)現(xiàn)壁面減阻。TR-TPIV速度矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了溝槽對(duì)湍流邊界層內(nèi)三維典型“四極子”相干結(jié)構(gòu)的影響。這類統(tǒng)計(jì)意義上的“四極子”相干結(jié)構(gòu)存在于兩種湍流邊界層內(nèi)不同法向高度處。溝槽削弱了邊界層近壁區(qū)Q2和Q4“猝發(fā)”事件發(fā)生時(shí),三維“四極子”相干結(jié)構(gòu)展向渦量的幅值。另外,“猝發(fā)”事件發(fā)生次數(shù)的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)一步表明溝槽對(duì)Q4事件的抑制最為明顯,其抑制了邊界層外區(qū)高速流體通過(guò)Q4事件掃向壁面的能力,從而減小了壁面摩擦阻力。溝槽的存在還使得湍流邊界層內(nèi)“四極子”相干結(jié)構(gòu)的法向位置整體外移,三維性更為明顯,且其流向尺度更大�？傊�,溝槽的減阻效應(yīng)貫穿湍流邊界層緩沖層、對(duì)數(shù)律層及外區(qū)。另外,增阻溝槽湍流邊界層煙霧流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)證明了因“開爾文-亥姆霍茲”不穩(wěn)定性的出現(xiàn),使得溝槽邊界層時(shí)-空平均流向速度剖面出現(xiàn)拐點(diǎn)而產(chǎn)生的展向“類開爾文-亥姆霍茲”渦棍結(jié)構(gòu)的存在性;它們?cè)跍喜坶g距剛剛超出最優(yōu)減阻區(qū)時(shí)形成,主要出現(xiàn)在溝槽壁面邊界層+≈26以內(nèi);典型的“類開爾文-亥姆霍茲”展向渦棍結(jié)構(gòu)其流向波長(zhǎng)+≈40-90,展向波長(zhǎng)+≥100;流向相鄰展向渦之間的距離?+≈150-200。TR-SPIV速度矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了增阻溝槽湍流邊界層內(nèi)“類開爾文-亥姆霍茲”展向渦棍結(jié)構(gòu)的存在性及其各特征長(zhǎng)度尺度的量級(jí),它們的生成及發(fā)展是溝槽減阻失效甚至增阻的根本原因。
【關(guān)鍵詞】：壁湍流 湍流邊界層 相干結(jié)構(gòu) 四極子 溝槽 類開爾文-亥姆霍茲渦棍 PIV
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O357.5
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-14
• 字母注釋表14-18
• 第一章 緒論18-40
• 1.1 壁湍流研究進(jìn)展20-30
• 1.2 溝槽壁面湍流邊界層被動(dòng)控制研究進(jìn)展30-36
• 1.3 PIV技術(shù)在湍流研究中的成果36-38
• 1.4 本文主要工作及框架38-40
• 第二章 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)量技術(shù)40-56
• 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置40-45
• 2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)45-54
• 2.3 本章小結(jié)54-56
• 第三章 光滑壁面湍流邊界層特征尺度及其相干結(jié)構(gòu)56-78
• 3.1 光滑壁面湍流邊界層特征尺度56-65
• 3.2 光滑壁面湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)65-76
• 3.3 本章小結(jié)76-78
• 第四章 減阻溝槽湍流邊界層特征統(tǒng)計(jì)量及其相干結(jié)構(gòu)78-104
• 4.1 減阻溝槽湍流邊界層特征統(tǒng)計(jì)量78-87
• 4.2 減阻溝槽湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)87-102
• 4.3 本章小結(jié)102-104
• 第五章 增阻溝槽湍流邊界層內(nèi)“類開爾文－亥姆霍茲”渦結(jié)構(gòu)104-122
• 5.1 前言104-106
• 5.2 增阻溝槽湍流邊界層內(nèi)“類開爾文－亥姆霍茲”渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)顯示106-117
• 5.3 增阻溝槽湍流邊界層內(nèi)“類開爾文－亥姆霍茲”渦結(jié)構(gòu)TR-SPIV測(cè)量117-120
• 5.4 本章小結(jié)120-122
• 第六章 全文總結(jié)及工作展望122-126
• 6.1 全文總結(jié)122-125
• 6.2 工作展望125-126
• 參考文獻(xiàn)126-136
• 發(fā)表論文和參加科研情況說(shuō)明136-138
• 致謝138-140

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