双振子同异步振动主动控制湍流边界层减阻实验研究

本文以镶嵌在平板上沿展向对放的两个压电陶瓷振子为主动控制激励器,自主设计了零质量射流主动控制湍流边界层减阻实验方案.在风洞中开展了双压电振子同步和异步振动主动控制湍流边界层减阻的实验研究,实现了压电振子的周期扰动对湍流边界层多尺度相干结构的干扰和调制,施加控制后减小了壁面摩擦阻力,获得减阻效果.当异步控制100 V,160 Hz工况时得到最大减阻率为18.54%.小波多尺度分析结果表明,施加控制工况中PZT振子的周期性扰动使得小尺度结构的湍流脉动强度增强,改变了近壁区大尺度和小尺度结构的含能分布,且异步控制工况比同步控制工况的减阻效果好.当双振子振动频率为160 Hz时,流向脉动速度的小波系数PDF曲线呈现出波动特征,尾部变宽显著,近壁湍流脉动更加有序和规则,湍流间歇性减弱.对小尺度脉动进行条件相位平均的结果表明,施加PZT周期扰动后使得大尺度结构破碎成为小尺度结构,小尺度脉动强度增强,实现减阻.随着流向位置离PZT振子越来越远,周期性扰动对相干结构的调制作用逐渐减弱.

含有周期涡结构的湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的迟滞效应

针对存在时空周期涡旋结构的湍流场,对湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的空间迟滞效应进行了实验研究,发现二者流向相位差呈周期变化.在低速回流式水槽中,利用二维高时间分辨率粒子图像测速(TimeResolved Particle Image Velocimetry,TRPIV)技术,对Re=324的圆柱尾流流场进行测量.经过49个周期166个相位的8215个PIV瞬时流场,经过周期相位平均,得到一个周期内不同相位典型的湍流雷诺应力和平均速度梯度的空间分布.利用湍流雷诺应力相位平均图像和平均速度梯度图像在不同时间相位下的空间互相关函数最大值对应的流向空间距离,得到湍流雷诺应力与平均速度梯度之间沿流向的空间相位差,并绘制流向相位差随周期相位的演变过程.本文验证了湍流复涡黏模型的合理性,为建立符合周期涡旋结构物理机理的湍流模型研究提供了实验依据.

壁湍流等动量区空间分布的实验研究

为深入探索湍流边界层等动量区的空间分布特性,使用大视场粒子图像测速仪在水洞中测量了平板湍流边界层流向–法向(x–y)平面内的速度矢量场。通过计算流向速度的概率密度函数,得到不同时刻和空间位置的等动量区分布,分析不同数量的等动量区沿流向的持续距离及出现频率。不同等动量区数量下,其对应的流向持续距离和流向间隔具有显著差异。当等动量区数量与其平均值相近时,等动量区在流向的持续距离较长,且流向间隔较小、出现频率较大;当等动量区数量与其平均值相差较大,其对应的流向持续距离较短,且流向间隔较大、出现频率较低。

人工合成微射流周期吹吸扰动控制壁湍流相干结构的实验研究

湍流的壁面摩擦阻力与壁湍流相干结构的猝发过程有重要关系。减少壁面摩擦阻力的方法之一,就是通过对壁湍流的相干结构进行控制实现的。为探究人工合成微射流的减阻效果,通过控制镶嵌在壁面空腔上的压电振子进行周期振荡,在壁面产生人工合成微射流,实现壁湍流结构猝发主动控制。利用单丝边界层热线探针,对施加人工合成微射流扰动前后平板湍流边界层的流向速度信号进行测量;利用子波变换和能量最大尺度准则提取出最大含能尺度脉动速度信号的骨架后,通过自相关法确定VITA法的平均周期T和门限值K;利用VITA法对湍流脉动速度信号进行检测,得到相干结构猝发的条件相位平均波形。研究结果表明,施加一定频率和振幅的人工合成微扰动以后,湍流边界层平均速度剖面的黏性底层增厚,对数律层上移。人工合成微射流能够抑制近壁相干结构的猝发,使近壁相干结构的振幅明显降低,从而产生减阻效果。同时,人工合成微射流只能控制近壁区域相干结构猝发,在远离壁面区域无法产生控制效果。

基于变间隔空间平均的等动量区分布研究

湍流边界层(TBL)中的相干结构是导致雷诺应力和湍动能产生的关键因素,深入研究和理解其发展演化特性是有效控制湍流边界层的基础.等动量区(UMZs)是湍流边界层中的典型大尺度相干结构,其空间分布特性与湍流边界层中的其他相干结构之间的联系尚缺少有效认识和实验依据.文章根据水洞实验中平板湍流边界层流法向平面中的大视场粒子图像测速仪(PIV)数据,使用正负流向速度梯度下的变间隔空间平均(VISA)方法检测大尺度相干结构,并研究其对等动量区空间分布的影响.研究结果表明,两种判定依据下的VISA检测所得流场中发卡涡头强度增大导致周围等动量区数量的增加,且基于正流向速度梯度的VISA检测结果中等动量区数量显著大于基于负流向速度梯度的检测结果.此外,VISA检测得到的低速结构附近等动量区的数量始终大于高速流体附近的等动量区数量,且该规律与VISA检测过程中的流向速度梯度无关.

射流旋涡发生器控制大折转角扩压叶栅二次流

将射流旋涡发生器引入到某折转角为60°的扩压叶栅端壁二次流控制中,研究了射流方向和射流总压对扩压叶栅气动性能及栅内流动的影响.结果表明:当射流旋涡发生器侧向倾角为0°时,仅采用不足扩压叶栅进口流量0.5%的射流流量,即可显著减少栅内损失.射流旋涡有效阻碍和推迟了通道涡发展,在下洗侧将主流流体卷入端壁附面层内,而在上洗侧将低能流体带入主流中,从而减少了角区低能流体聚积,减弱了吸力面的分离流动.当射流进口总压采用与扩压叶栅进口相同的总压时,总压损失减小21.5%,且射流进口总压越大,其控制效果越明显.

湍流边界层大尺度结构迁移特性研究

基于流向阵列的高时间分辨率粒子图像测速(TR–PIV)数据库,使用尺度分解和时空相关方法研究了不同类型湍流结构的迁移特性。使用离散小波变换对流向脉动速度进行流向空间分解,发现存在含能最集中的尺度;使用空间条件相位平均方法验证了不同小波系数代表的湍流结构;基于这些小波系数,使用时空互相关方法,得到相关系数随时间延迟的变化曲线,得到不同结构的迁移速度剖面,发现在尾迹区,不同湍流结构的迁移速度与平均速度基本一致,而在对数律区及以下,最大含能尺度结构的迁移速度高于平均速度,且不同结构的迁移速度也不同,随着雷诺数增大,其差值有所区别,但是大小关系未变。

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.