沟槽面湍流边界层减阻的TRPIV测量

采用高时间分辨率粒子图像测速技术对沟槽壁面平板湍流边界层速度矢量场的时间序列及其统计量进行了实验测量,讨论了在同一来流速度下沟槽壁面对平均速度剖面﹑雷诺切应力及湍流强度的影响.用流向速度分量的多尺度空间局部平均结构函数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠事件的脉动速度、展向涡量的二维空间拓扑形态.结果表明,与同材料光滑壁面对比,沟槽壁面实现了10.73%的摩阻减小量;沟槽壁面湍流边界层湍流强度及雷诺切应力皆比光滑平板湍流边界层对应统计量小,说明沟槽壁面有效降低了湍流边界层内流体的脉动.通过比较壁湍流相干结构猝发事件各脉动速度分量与展向涡量的空间分布特征,肯定了沟槽壁面的减阻效果,发现沟槽壁面通过抑制相干结构猝发事件实现减阻.

均匀各向同性湍流中标量耗散的动力学特性

采用直接数值模拟方法,对具有平均标量梯度的被动标量场在稳定均匀各向同性湍流中耗散的动力学特性进行了研究(计算Reλ为25和48,Pr数从0.3-4.0).结果表明,标量耗散的形成主要是由于标量梯度同流场的应变张量压缩主轴耦合的结果,而涡量对标量梯度的形成只有较弱的影响,然而它可以产生与平均标量梯度方向相反的标量梯度,来抵消在大尺度上施加的平均标量梯度的影响,同时通过破坏标量梯度与应变张量之间的耦合来抑制大强度标量耗散的产生,借助于不变量理论发现,高强度的标量耗散主要产生在拓扑结构为、unstablenode/saddle/saddle流形区域,其对应的应变张量的特征值两个为正,一个为负;由于涡管的感生作用,也有少许中等强度的标量耗散位于流形为stablefocus/stretching的区域,

湍流边界层空间特征尺度的层析TRPIV测量

利用层析TRPIV测量得到的平板湍流边界层三维三分量速度场数据库,计算得到了平板湍流边界层空间耗散尺度、剪切尺度、泰勒微分尺度、积分尺度等典型空间特征尺度分别为3～5,40～100,20～50,4000个壁面单位,发现耗散尺度随法向位置缓慢增加,剪切尺度在靠近壁面的区域随法向位置变化不明显,积分尺度已不随法向位置变化。按照局部平均速度空间变形率的概念,沿流向分解得到了平板湍流边界层速度场分尺度速度空间变形率。利用空间自相关法得到了平板湍流边界层流向不同尺度湍涡的空间长度,研究发现小尺度情况下,湍涡结构的空间尺度总体上沿法向增大,且在近壁面,展向尺度与流向尺度相当,在湍流边界层外边界之外,湍涡结构的空间尺度逐渐趋于相等;大尺度的情况下,平板湍流边界层中湍涡结构的空间尺度随着法向位置先增加,然后有一个缓慢增加的过程,且总是流向尺度大于展向尺度,法向尺度最小。

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.

壁面湍流发卡涡包空间模态的TRPIV实验研究

运用高时间分辨率粒子图像测速(Time-resolved PIV简称TRPIV),测量得到平板湍流边界层流向/法向平面内瞬时速度矢量空间分布的时间序列;采用空间局部平均速度结构函数的概念,识别和提取湍流边界层中大尺度发卡涡包结构的空间特征。发现在湍流边界层中不同法向位置多个正负发卡涡包结构同时交替存在。这些分布在不同法向高度的发卡涡包结构之间通过倾斜的涡量剪切层相联系,构成了湍流边界层中内、外区紧密相连、相互作用的一种稳态的分布方式。

超疏水壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验

利用高时间分辨率粒子图像测速(TRPIV)技术,开展超疏水壁面材料湍流边界层减阻机理的实验研究.在循环水槽中,对超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层瞬时速度矢量场的时间序列进行了实验测量.得到了同一来流速度(0.17m/s)下超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层的平均速度、湍流度及雷诺切应力沿法向的分布规律.提出了空间多尺度局部平均涡量的概念,并以此为特征量检测壁湍流发卡涡展向涡头的中心位置.用条件采样及空间相位平均技术提取了不同法向位置发卡涡展向涡头周围流向脉动速度和流线的空间拓扑,对发卡涡展向涡头的俯仰角进行了对比,并从鞍点-焦点动力系统的角度分析了发卡涡展向涡头附近的流线拓扑特征.研究表明:雷诺数约为13 500时,相比亲水壁面,超疏水壁面实现了10.1%的减阻.超疏水壁面平均速度明显增大,雷诺切应力减小,流向湍流度减弱,发卡涡展向涡头俯仰角较小,近壁区相干结构的发展受到抑制.

基于槽道流LES数据库的湍流猝发检测

采用大涡模拟方法,在与两种Reynolds数情形的DNS结果进行充分验证的基础上,获得了不同Reynolds数情形槽道湍流的可靠LES数据库,由此可进一步得到任意Reynolds数时速度剖面、湍流强度、剪应力等统计量的时空分布以及猝发结构的时空特征.基于这些可靠的LES数据库,利用条件采样方法检测猝发事件的时空尺度,并提出由喷发事件时间间隔概率分布曲线确定组合参数对传统的条件采样方法进行改进,以避免检测结果的误差.检测结果表明,引入组合参数后,湍流猝发周期对门限的依赖性得到显著改善.同时,对猝发事件的空间分布进行检测,得到了平均猝发面积比.通过比较不同Reynolds数的结果发现,Reynolds数对平均猝发周期和平均猝发面积比的影响不大.