大尺度类波形壁面湍流边界层TR-PIV实验研究

针对传统波形壁面因尺度微小所引发的加工困难、维护费用昂贵等问题,设计了一种大尺度的类波形壁面.对虎鲸的皮肤嵴结构进行放大和形貌改良,得到的大尺度类波形壁面可以更好地适用于工程实际;研究了大尺度类波形壁面对湍流边界层的影响,分析了其减阻效果及减阻机理.采取高时间分辨率粒子图像测速(TR-PIV)技术,对光滑壁面和振幅与波长之比分别为2a1/λ=0.033、2a2/λ=0.050、2a3/λ=0.066的3种大尺度类波形柔性壁面湍流边界层流场进行了实验测量,对流场中的时空相关函数进行计算.分析一个波长范围内流向、法向速度及压力分布,发现波形结构下坡段附近的逆压梯度使得流动减速,爬坡段附近的顺压梯度则加速了流动,减速效果最强位置位于波谷,加速效果最强位置位于波谷始末,流场中的速度在两个极值内变化.对不同工况下类波形壁面末尾凹槽下游紧邻平板区域各阶统计量进行了对比,结果表明3种类波形壁面的平均速度剖面于对数区表现出不同幅度的抬升,近壁区平均速度均有不同程度增大;近壁区流场雷诺切应力具有明显的降低,近壁区湍流脉动被抑制,雷诺应力的峰值相对壁面略有外移;3种类波形壁面均具有一定减阻效果,最大减阻率为23.0%.

波形壁湍流复涡黏模型时间解析PIV测量研究

采用高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV)在水槽中对不同雷诺数下的波形壁面湍流空间流场进行测量,得到瞬时湍流边界层速度场空间分布的时间序列,分析了雷诺应力分量和平均速度变形率分量的空间分布,发现其在近壁区受波形壁面影响比较大,周期性比较明显,而远离壁面时受壁面条件的影响较小。利用空间互相关技术分析了雷诺应力分量与平均速度变形率分量之间的流向相位关系,发现二者在流向空间上存在相位差,且相位差的分布由壁面向外区从0先逐渐减小,在0.4—0.5波形壁波长的法向位置处达到最小值,然后再逐渐增大,且在一定的范围内雷诺数的变化对相位差的影响并不大。验证了湍流雷诺应力复涡黏性模型的合理性,为建立更加准确预测非平衡湍流的复涡黏性模型提供了实验依据。