人造发卡涡对湍流边界层相干结构的影响

摘要

本文工作的主要目的是，通过向湍流边界层中引入单一人造发卡涡，对在湍流边界层中对数律区的大尺度低速条纹结构(＞20δ)的产生机理进行探讨。
　　 在层流边界中，流动显示和单丝热线探针测量的结果表明：4.8Hz、最大速度约1.1ms-1(Rjet≈55％)的垂直于壁面的周期性射流，在自由来流约为2.0ms-1、边界层厚度约为12mm的层流边界层中，形成单一发卡涡。在射流出口下游10mm处及其下游，相位平均的流向脉动速度和发卡涡标示函数在三维空间(运用Taylor冻结假设)中的分布表明，低速区形成于人造发卡涡的上游、内部区域，高速区形成于人造发卡涡的外侧。通过整合在流向六个横截面处的相位平均的流向脉动速度信号和发卡涡标示函数，得到在一个扰动周期时间内(209ms)，人造发卡涡在层流边界层中随时间的发展、演化过程，且与流动显示结果相吻合。同时，在水平截面内，流向瞬时脉动速度呈现类似Hutchins等2007年在湍流边界层对数律区发现的大尺度条纹结构(＞20δ)。
　　 向来流约为2.0ms-1、边界层厚度约为50mm的湍流边界层中，引入4.8Hz、最大速度约3.45ms-1(Rjet≈172％)的垂直于壁面的周期性射流，同时，单丝热线探针在射流出口下游40mm处的(流向-展向)横截面内，对射流扰动的湍流边界层进行测量。相位平均的流向脉动速度与基于流向速度分量的发卡涡标示函数，呈现发卡形涡结构，而且在对数律区发现与Hutchins等2007年在湍流边界层对数律区发现的大尺度条纹结构相似的大尺度低速条纹结构。与较弱垂直于壁面的周期性射流(Rjet≈55％)在湍流边界层对数律区形成的低速条纹相比较，得知尾流区占主导地位的负展向涡是形成对数律区大尺度条纹结构的根本原因。
　　 由流向平均速度的二阶导数与(层流和湍流)边界层中条纹结构的对应关系，得知足够强的边界层剪切，对在边界层中产生条纹结构，是必要的。通过对比两个不同雷诺数的湍流边界平均速度的二阶导数，解释了对数律区的大尺度低速条纹结构在高雷诺数的湍流边界层中较强，而易于发现的原因。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1湍流边界层理论及湍流结构

1.1.1湍流边界层理论的提出及其发展

1.1.2湍流边界层中的流动结构

1.2湍流边界层中的条纹结构

1.2.1湍流边界层近壁区的低速条纹结构

1.2.2对数律区及尾流区的大尺度低速条纹结构

1.2.3湍流边界层外区大尺度条纹结构形成机理的探索

1.3发卡涡

1.3.1湍流边界层中的发卡涡

1.3.2发卡涡在湍流边界层控制中扮演的角色

1.3.3生成人造发卡涡的主要方法

1.4本文主要工作

第二章 实验设备与技术

2.1实验设备与装置

2.1.1实验风洞介绍

2.1.2坐标架系统

2.1.3垂直于壁面的周期性射流控制系统

2.1.4转捩装置

2.2恒温热线测速技术及热线探针标定

2.2.1恒温热线测速技术

2.2.2热线探针响应频率

2.2.3热线探针标定及温度修正

2.3热线探针所处法向位置的确定

2.3.1热线探针的热敏感特性

2.3.2确定壁面位置

2.4热线探针信号中噪音的预防、识别和去除

2.4.1热线探针信号噪音的预防

2.4.2热线探针信号噪音的识别和去除

2.5自由来流速度的检测及对信号的修正

2.5.1自由来流速度的检测及对信号的修正

2.6本章小结

第三章 人造发卡涡层流流动显示

3.1烟的生成与推进方法

3.1.1发烟装置

3.1.2烟的推进方式

3.2流场测量

3.2.1层流流场测量

3.2.2垂直于壁面的周期性射流测量

3.3人造发卡涡烟流动显示结果

3.3.1人造发卡涡烟流动显示结果

3.4本章小结

第四章 人造发卡涡在层流边界层中的发展、演化过程

4.1层流边界层

4.1.1层流流向平均速度剖面

4.2引入垂直于壁面的周期性射流的层流边界层

4.2.1六个不同流向位置处的层流速度剖面

4.2.2垂直于壁面的周期性射流对层流流向平均速度剖面的影响

4.3人造发卡涡在层流边界层中的发展、演化过程

4.3.1人造发卡涡的三种可能形式

4.3.2层流边界层的迁移速度及Taylor冻结假设的应用

4.3.3在射流扰动的层流边界层中，相位平均的流向脉动速度

4.3.4基于流向速度分量的发卡涡标示函数

4.3.5在层流边界层中，基于流向速度分量的发卡涡标示函数及相位平均的流向脉动速度

4.4层流边界层中，与人造发卡涡相关联的条纹结构

4.4.1瞬时人造发卡涡

4.4.2不同法向位置处的条纹结构

4.5人造发卡涡在层流边界层中随时间演化过程

4.5.1在六个流向位置处，处于不同时刻的人造发卡涡

4.5.2三维人造发卡涡随时间的演化过程

4.6人造发卡涡对层流边界层统计量的影响

4.6.1层流边界层的湍流度

4.6.2层流边界层的偏斜因子

4.6.3层流边界层的平坦因子

4.7本章小结

第五章 人造发卡涡对湍流边界层的影响

5.1在湍流边界层中，有量纲及内尺度无量纲的流向平均速度剖面

5.1.1有量纲的流向平均速度剖面

5.1.2由速度梯度得到的壁面摩擦速度

5.1.3由基于速度梯度的壁面摩擦速度，无量纲的流向平均速度剖面

5.1.4由Coles law拟合得到的壁面摩擦速度

5.1.5由Coles law拟合得到壁面摩擦速度，无量纲的流向平均速度剖面

5.2垂直于壁面的周期性射流对湍流边界层流向平均速度剖面的影响

5.2.1垂直于壁面的周期性射流

5.2.2引入垂直于壁面的周期性射流扰动的流向平均速度剖面

5.2.3在引入射流扰动的湍流边界层中，由基于速度梯度的壁面摩擦速度无量纲的平均速度剖面

5.2.4在引入射流扰动的湍流边界层中，基于线性区速度梯度和Coles law拟合得到的壁面摩擦速度

5.2.5在引入射流扰动的湍流边界层中，由Coles law拟合得到的壁面摩擦速度无量纲的流向平均速度剖面

5.2.6垂直于壁面的周期性射流对流向平均速度剖面的影响

5.3湍流边界层中相位平均的人造发卡涡

5.3.1湍流边界层的迁移速度及Taylor冻结假设的应用

5.3.2在射流扰动的湍流边界层，相位平均的流向脉动速度

5.3.3湍流边界层中的相位平均的发卡涡标示函数

5.4与人造发卡涡相关联的条纹结构

5.4.1在射流扰动的湍流边界层中，在对数律区形成的瞬时条纹结构

5.4.2与人造发卡涡相关联的大尺度条纹结构

5.5人造发卡涡对湍流边界层统计量的影响

5.5.1人造发卡涡对湍流度的影响

5.5.2人造发卡涡对偏斜因子的影响

5.5.3人造发卡涡对平坦因子的影响

5.6本章小结

第六章 对数律区大尺度条纹结构产生机理的讨论

6.1与两个不同状态的人造发卡涡相关联的对数律区条纹结构

6.1.1在湍流边界层中，两个不同强度的射流形成的发卡涡

6.1.2与两个不同状态的人造发卡涡相关联的对数律区条纹结构

6.2雷诺数对湍流边界层大尺度低速条纹结构的影响

6.2.1大尺度条纹结构的出现与边界层平均流向速度剪切之间的对应关系

6.2.2在湍流边界层中，雷诺数对大尺度低速条纹结构的影响

6.3本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1全文总结与展望

7.1.1全文结论

7.1.2本文创新点

7.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢