用局部平均速度结构函数检测湍流边界层多尺度相干结构

测量风洞中平板湍流边界层不同法向位置的流向速度时间序列信号,提出了基于局部多尺度平均意义的湍流多尺度局部平均结构函数的概念,以描述湍流多尺度结构的伸缩变形和相对运动;基于多尺度局部平均结构函数的概念与Harr子波变换的一致性,提出了用湍流多尺度局部平均结构函数的平坦因子检测湍流边界层多尺度相干结构及其间歇性的检测方法,提取近壁区域不同法向位置处多尺度相干结构的条件相位平均波形。

静电传感器矩阵颗粒局部平均速度空间滤波测量方法

在圆环状线性静电传感器阵列空间滤波法颗粒速度测量的基础上,提出一种基于圆弧状静电传感器矩阵的气固两相流颗粒局部平均速度测量方法。应用有限元法分析了每一线性电极阵列的敏感空间范围,并从理论上推导了矩阵空间滤波器输出信号的频谱特性与颗粒速度之间的关系。开发了基于圆弧状静电传感器矩阵空间滤波器的颗粒局部平均速度测量系统,并在重力输送颗粒流装置上进行了性能测试实验。实验结果表明:测量系统的重复性优于11%。

液固两相湍流边界层相干结构的PIV实验研究

液固两相湍流是工业和工程中常见的流动状态,研究颗粒—湍流两相之间的作用规律和湍流调制的机理,对有效调控化工过程传热传质具有重要意义。采用粒子图像测速技术(PIV)对液固两相平板湍流边界层进行实验研究,分析在同一来流速度下加入固相颗粒和清水时水平板湍流边界层的平均速度剖面、湍流强度变化情况。通过空间局部平均速度结构函数和相干结构条件采样技术,提取并对比壁湍流相干结构"喷射"和"扫掠"事件的脉动速度、雷诺切应力以及展向涡量的二维空间拓扑形态。发现,同清水工况相比,湍流边界层缓冲层有变薄的趋势,对数律区内移,湍流强度和雷诺切应力均有所增强。相干结构在猝发时,脉动速度增强,雷诺切应力相对增大,展向涡量的发展受到促进,这表明实验中颗粒的存在使得湍流边界层中流体脉动增强,相干结构"喷射"和"扫掠"的强度相应增大,动量和能量的输运增强。

湍流中的多尺度结构及其相对运动

基于湍流局部多尺度结构物理背景,指出了湍流场与完全随机场的本质区别在于湍流场中流体微团的运动不是完全随机的,湍流场中存在不同尺度的结构,湍流中流体微团的运动受所属流动结构的制约。提出了局部平均速度结构函数的概念以描述一定尺度湍流结构的纵向伸缩变形及其相对运动,并通过实验验证了湍流中基于一定尺度的局部结构平均概念的速度结构函数与子波变换的一致性。

平面阵列电容式固体颗粒速度测量方法研究

颗粒流动速度是反应气固两相流动状况的重要参数,提出一种全新的基于平面阵列式电容传感器的固体颗粒速度测量方法。首先利用三维电磁场仿真软件Ansoft对传感器建模,获取其空间轴向灵敏度的基础上,对其空间滤波特性进行理论分析,并得到了速度测量的数学关系式。在此基础上,设计了一套基于平面阵列式电容传感器测量固体颗粒速度的系统,并在重力输送实验装置上进行了实验验证。实验结果表明,颗粒流动速度1~3 m/s时,颗粒速度与传感器输出信号频谱宽度呈线性关系,测量相对误差低于9%,测试系统重复性误差优于11%。

湍流边界层对数律区相干结构的Tomo-TRPIV实验研究

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.

雷诺应力各向异性涡黏模型的层析TRPIV测量

利用层析TRPIV测量水洞中平板湍流边界层3D-3C速度场的高分辨率时间序列数据库.提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解.用空间流向局部平均多尺度速度结构函数,根据湍流多尺度涡结构在流向的拉伸和压缩物理特征,提出了新的湍流相干结构条件采样方法,检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构"喷射"和"扫掠"事件中的脉动速度、平均速度变形率、雷诺应力等物理量的空间拓扑形态.通过研究平均速度变形率各分量与雷诺应力各分量之间的空间相位差异,肯定了壁湍流相干结构雷诺应力各向异性复涡黏模型的合理性.

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.

高分子溶液对湍流边界层减阻机理的实验研究

采用TRPIV实验测量了不同雷诺数下聚丙烯酰胺(PAM)溶液的平板湍流边界层的速度场。研究结果表明:在加入少量PAM后,湍流边界层壁面阻力出现降低,并且减阻率随雷诺数的升高而增大;PAM湍流的平均速度剖面的对数律区与清水湍流具有相同的斜率,但具有更高的法向位置。与清水湍流相比,PAM湍流的脉动速度的强度明显减弱,雷诺切应力显著减小。通过采用改进的基于空间局部平均速度结构函数的象限分裂法以及新型条件采样法计算了湍流猝发事件中各物理量的空间相位平均场。其结果表明作为雷诺切应力主要来源的喷射和扫掠事件,在近壁区受到明显抑制。

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。

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。

强声波作用下烟气中滑移单颗粒煤粉传热传质特性

根据二维轴对称、非稳态,层流的质量、动量和能量守恒方程,研究强声波作用下烟气中滑移单颗粒煤粉的传热传质特性,颗粒与烟气之间有稳定的滑移速度.分析声压级范围为150 d B-170 d B,可听声频率范围内,及在声质点速度与滑移速度的不同速率比情况下,颗粒局部努赛尔数、表面平均努赛尔数以及时间-空间平均努赛尔数的分布规律.在可听声频率范围内,存在极值频率,此时煤颗粒表面的传热传质效果最佳.为强声波应用于电站锅炉中、强化煤颗粒燃烧提供理论基础.