湍流边界层大尺度相干结构空间相位平均拓扑

湍流边界层大尺度相干结构(large-scale coherent structure,LSCS)是目前湍流边界层研究的热点之一。湍流边界层中存在大尺度相干结构均是通过各种谱的低波数峰值证实的,而对大尺度相干结构各种物理量的空间拓扑形态及其发展演化规律还缺乏研究。应用高时间分辨粒子图像测速多相机阵列系统,测量湍流边界层大尺度相干结构各种状态的空间拓扑。实验雷诺数Reτ=422,采用沿流向方向按顺序排列四个高速相机同步拍摄,得到约6.7δ×1.2δ的大视场。在所有法向层沿流向方向进行空间多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得到湍动能随流向尺度和法向位置的分布,根据各尺度小波系数的正负极值点检测各尺度相干结构喷射和扫掠的拓扑中心,使用条件采样和空间相位平均的方法测得各尺度相干结构喷射和扫掠阶段的空间拓扑形态,分别得到喷射与扫掠事件的脉动速度矢量、展向涡量、流线等物理量的空间相位平均拓扑,发现大尺度喷射和扫掠事件的结构都是多个小涡组成的大尺度涡包结构,每个小涡的流线形成鞍点和焦点组成的局部不稳定动力系统。

平板湍流边界层湍动能时空多尺度分布特征与典型结构

应用四相机阵列高时间分辨粒子图像测速系统,测量平板湍流边界层7.26δ_(0.99)×1.18δ_(0.99)大视场瞬态速度场的大样本时间序列,实验雷诺数Re_(τ)=1046.在所有法向层沿流向方向进行空间多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得到湍动能随脉动空间尺度和法向位置的分布;同时对每个空间点脉动速度时间序列在时间上进行多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得到湍动能随脉动时间尺度和法向位置的分布;计算出去除多尺度相干结构前后的平坦因子随脉动空间尺度和法向位置的分布.使用空间小波系数过零点法对流场的湍流结构进行检测,用条件采样和空间相位平均的方法获得各尺度不同法向位置湍流结构的空间典型拓扑,发现湍流小尺度结构涡量的空间拓扑呈现沿流向和法向正负交替的四极子结构,流线表现为鞍点和焦点组成的动力系统,肯定了湍流小尺度结构的普适性;计算去除相干结构前后的标度指数ζ(p),发现多尺度相干结构是引起奇异标度律的原因.