湍流边界层对数律区相干结构的Tomo-TRPIV实验研究

摘要

应用层析高时间分辨率粒子图像测速技术(tomographic time-resolved particle image velocimetry,Tomo-TRPIV),测量了Reθ=2460的平板湍流边界层三维3分量瞬时速度场的时间序列.提出湍流空间多尺度局部平均速度结构函数的概念,应用流向脉动速度沿流向的空间多尺度局部平均速度结构函数的正负过零点法,从瞬时脉动速度场中检测相干结构的喷射和扫掠事件,对检测到的喷射和扫掠事件的瞬态局部速度场、速度梯度场、涡量场、速度变形率场进行空间相位对齐叠加平均,获得喷射和扫掠事件的局部速度场、速度梯度场、涡量场、速度变形率场的典型特征.研究发现,相干结构喷射和扫掠时,速度梯度、速度变形率、涡量均表现为空间反对称分布的4极子结构.特别是流向涡量是沿流向、法向、展向均为反对称分布的法向多层4极子结构,表明法向各层相干结构是紧密联系,互相关联的.这种法向多层的4极子反对称结构导致强烈的动量、质量和能量交换,维持了相干结构的演化和发展过程.