非平衡湍流雷诺应力弛豫复涡黏张量模型的实验研究

摘要

本文采用热线测速技术（HWA）和粒子图像测速技术（PIV）对壁湍流相干结构调制雷诺应力和非平衡湍流雷诺应力涡黏模型的时——空弛豫效应进行了实验研究。用热线测速技术，对壁湍流相干结构调制雷诺应力与速度变形率的时域弛豫效应进行了实验研究；用层析TRPIV和二维TRPIV技术对壁湍流相干结构调制雷诺应力与速度变形率的空间弛豫效应进行了实验研究；最后采用二维TRPIV技术对轴流风机引起的周期变化非平衡湍流场中雷诺应力与速度变形率的时——空弛豫效应进行了实验研究。
　　用热线测速技术，对壁湍流相干结构调制雷诺应力与速度变形率的时域弛豫效应进行了实验研究。用IFA-300恒温热线风速仪、平行丝热线探针和X型双丝热线探针，以高于湍流最小时间尺度的分辨率，精细测量了风洞中壁湍流不同法向位置处速度变形率和对应位置的雷诺应力。应用时间局部平均速度结构函数概念对流向速度信号进行多尺度分解，以流向速度分量的局部平均速度结构函数的局部极值作为特征量检测壁湍流相干结构猝发的喷射和扫掠过程。用相位平均技术提取相干结构猝发时调制雷诺应力以及速度变形率的相位平均波形。应用互相关技术计算了调制雷诺应力分量与速度变形率分量之间的时间相位。基于理论上壁湍流相干结构弛豫涡黏模型对涡黏系数的分析，研究了相干结构猝发过程中调制雷诺应力分量与速度变形率分量之间的时间弛豫效应。
　　用层析TRPIV和二维TRPIV技术对壁湍流相干结构调制雷诺应力与速度变形率的空间弛豫效应进行了实验研究。用二维TRPIV测量了水槽中壁湍流流向-法向平面内二维速度分量空间分布的时间序列，用三维层析TRPIV技术测量了壁湍流三维速度场空间分布的时间序列信号。应用空间局部平均速度结构函数概念对测量所获得的速度分量进行多尺度分解，以流向速度分量的局部平均速度结构函数的局部极值作为特征量检测壁湍流相干结构猝发的喷射和扫掠过程。应用空间相位平均技术提取相干结构猝发时调制雷诺应力分量和速度变形率分量的空间相位平均拓扑形态。发现调制雷诺应力分量与对应的速度变形率分量的空间分布具有空间相位的不同步性。
　　采用二维TRPIV技术对轴流风机引起的周期变化非平衡湍流场中雷诺应力与速度变形率的时空弛豫效应进行了实验研究。用二维TRPIV测量了低速轴流风机内部叶片60％跨度处压力面与吸力面，以及风机出口径向平面的速度场空间分布。应用周期相位平均技术提取轴流风机湍流场中不同时空相位雷诺应力分量与速度变形率分量的周期相位平均形态，研究两者的时空演化过程；应用互相关技术研究了两者之间的时空弛豫相位关系。发现雷诺应力分量与速度变形率分量的极值发生在不同时空相位。
　　采用经典的平衡态线性涡黏模型不能准确地描述湍流场中相干结构动量传递等非平衡现象的物理机理。对于湍流场中雷诺应力动力学的模拟，应采用包含时空相位信息的弛豫涡黏张量模型。由于雷诺应力分量与速度变形率分量的时空不同步性，对局部非平衡湍流场的数值模拟提出了一个挑战性的问题，建议采用包含相位信息的弛豫涡黏张量模型来模拟雷诺应力张量。

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第一章 引言

1.1湍流研究概述

1.2壁湍流相干结构研究概述

1.3湍流模式理论研究概述

1.4选题背景及意义

1.5本文工作

第二章 壁湍流相干结构调制雷诺应力弛豫效应的热线测速研究

2.1实验设备与装置

2 .2热线测量技术及热线探针标定

2.3实验方案

2.4基本流场测量

2.5数据分析方法

2.6脉动速度和雷诺应力相位平均波形分析

2.7雷诺应力与速度变形率的相位平均波形分析

2.8调制雷诺应力与相干结构速度变形率的相位平均波形

2.9调制雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位分析

第三章 壁湍流相干结构弛豫涡黏模型的二维TRPIV研究

3.1实验设备介绍

3.2 PIV测量技术

3.3 PIV系统组成

3.4实验方案及基本流场测量

3.5多尺度局部平均速度结构函数与空间相位平均技术

3.6速度梯度的空间相位平均分布

3.7调制雷诺应力与相干结构速度变形率的空间相位平均分布

3.8本章小结

第四章 壁湍流相干结构弛豫涡黏模型的层析TRPIV实验研究

4.1层析TRPIV测量技术

4.2实验方案及基本流场测量

4.3三维速度分量及涡量的空间相位平均分布

4.4雷诺应力与速度变形率的空间相位平均分布

4.5调制雷诺应力与相干结构速度变形率的空间相位平均分布

4.6本章小结

第五章 轴流风机内部湍流场弛豫复涡黏张量模型的TRPIV研究

5.1研究背景

5.2实验设备及测量技术

5.3周期相位平均技术

5.4轴流风机叶片60%跨度处实验结果分析

5.5轴流风机出口径向平面内实验结果分析

5.6本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2本文创新点

6.3今后工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢