周期性扰动对壁湍流多尺度相干结构影响的实验研究

摘要

本文对风洞中平板湍流边界层通过展向狭缝引入的不同频率的局部周期性扰动控制多尺度相干结构进行了实验研究。采用热线测速技术，以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率，精细测量了施加不同频率的周期性扰动前后平板湍流边界层中不同流向和法向位置的瞬时流向、法向和展向速度分量的时间序列信号，研究了不同频率的周期性扰动对平板边界层多尺度相干结构的影响。 利用快速Fouier变换，确定了扰动影响流场的流向和法向空间范围。通过测量基本流场，发现在扰动源下游一定空间范围内，摩擦系数有所减小，粘性底层增厚。扰动使雷诺应力幅值趋于零的空间范围变大；改变了湍流边界层原有湍动能的产生和扩散输运机制，在一定程度上抑制了湍流脉动的产生。此外，在扰动源下游形成了两个定常的、强度相似的、大尺度的展向涡，起到流体滚动轴承的作用，减小了壁面摩擦阻力。 采用子波系数模极大值法提取了猝发过程中，相干结构不同速度分量和雷诺应力分量的条件相位平均波形，发现在缓冲层和对数律层，流向和法向脉动速度分量的相位平均波形的相位差恒定保持为钝角，几乎不随法向位置变化，导致雷诺应力分量u'v'在湍流边界层中恒保持为负号且具有很大幅值。而展向分量的相位平均波形比流向脉动速度分量的相位平均波形明显存在相位滞后，且相位差随法向位置变化，在缓冲层相位差为钝角，随着远离壁面，相位差逐渐减小为零。 基于湍流多尺度结构和局部平均速度结构函数的概念，研究了施加扰动对湍流多尺度相干结构及其间歇性的影响。发现在缓冲层，扰动使得小尺度湍涡结构在湍流整体中的重要性相对减弱；使能量最大尺度附近的大尺度湍涡结构的重要性相对增强；湍流系统在整体上受到与扰动尺度相当的大尺度湍涡结构的制约；扰动使多尺度湍涡结构的正负交替有序性增强。扰动抑制了低速条纹结构的上抛运动和高速条纹结构的下扫运动，而且扰动频率越大抑制得也就越强烈，使展向条纹结构更加有序化，抑制了条纹结构在展向的失稳。 周期性扰动改变了法向或展向脉动速度与流向脉动速度的条件相位平均波形的相位差，使法向或展向脉动速度与流向脉动速度的相位差保持在π/2的奇数倍左右，此时一个脉动速度分量的幅值达到最大而另一个脉动速度分量的幅值则几乎为零，使雷诺应力分量的幅值保持在较小的状态，从而达到了控制湍流产生和减阻的目的。

目录

文摘

英文文摘

声明

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

1.2.1壁湍流相干结构的流动显示研究

1.2.2用子波分析检测壁湍流相干结构

1.3壁湍流相干结构控制方法概述

1.4选题背景及意义

1.5本文工作

第二章实验设备与试验技术

2.1实验设备与装置

2.1.1 TULTWT低(变)湍流度风洞简介

2.1.2吹吸测量装置简介

2.2热线测速技术

2.2.1热线风速仪原理

2.2.2IFA300恒温热线风速仪

2.2.3热线探针校准器

2.3三维自动控制坐标架

第三章周期性吹吸扰动对平均流场的影响

3.1周期性吹吸扰动信号的测量

3.2实验平均流场的测量

3.2.1平板湍流边界层平均速度剖面的测量

3.2.2周期性吹吸扰动对平均速度剖面的影响

3.3周期性吹吸扰动对摩擦系数的影响

3.4周期性吹吸扰动对边界层参数的影响

3.5周期性吹吸扰动对湍流度的影响

3.6周期性吹吸扰动对能量分配参数的影响

3.7周期性吹吸扰动对雷诺应力的影响

3.8周期性吹吸扰动对壁湍流展向涡量的影响

3.9本章小结

第四章周期性吹吸扰动对湍流相干结构统计特征量的影响

4.1子波变换与湍流多尺度局部平均结构函数

4.1.1基于局部多尺度平均概念的速度结构函数

4.1.2 Harr子波变换与湍流多尺度局部平均结构函数的关系

4.1.3用流向子波系数检测和提取多尺度相干结构

4.2周期性吹吸扰动对壁湍流湍动能的影响

4.3周期性吹吸扰动对壁湍流间歇性的影响

4.4周期性吹吸扰动对壁湍流湍涡结构的影响

4.5本章小结

第五章周期性吹吸扰动对壁湍流多尺度相干结构的控制

5.1湍流边界层相干结构喷射和扫掠的条件相位平均波形

5.1.1无扰动情况下喷射和扫掠过程中脉动速度分量及雷诺应力的条件相位平均波形随尺度分布情况

5.1.2无扰动情况下相干结构喷射和扫掠脉动速度分量条件相位平均波形随法向位置的变化

5.1.3无扰动情况下喷射和扫掠过程中雷诺应力的条件相位平均波形随法向位置的变化

5.2多尺度相干湍涡结构不同脉动速度分量之间相位平均波形的相位差与雷诺应力分量相位平均波形的关系

5.2.1脉动速度分量u'、v'相位平均波形的相位差与雷诺应力分量(u'v')的关系

5.2.2脉动速度分量u'、w'相位平均波形的相位差与雷诺应力分量(u'w')的关系

5.3周期性吹吸扰动对湍流边界层相干结构喷射和扫掠脉动速度分量和雷诺应力分量条件相位平均波形的影响

5.3.1喷射和扫掠过程中周期性吹吸扰动对流向、法向和展向脉动速度分量条件相位平均波形的影响

5.3.2喷射和扫掠过程中周期性吹吸扰动对雷诺应力分量条件相位平均波形的影响

5.4施加扰动前后，不同脉动速度分量之间的相位差与雷诺应力的关系

5.5周期性吹吸扰动对喷射和扫掠发生频率的影响

5.6本章小结

第六章总结和展望

6.1主要结论

6.2本文创新点

6.3对今后研究工作的展望

参考文献

发表论文与参加科研情况说明

致谢