吹吸扰动对湍流边界层多尺度相干结构的影响

用IFA-300热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率，精细测量了风洞中施加局部周期性吹吸扰动平板湍流边界层近壁区域不同法向和流向位置的瞬时速度的时间序列信号．对平板湍流的扰动是通过平板上沿展向分布的一条窄缝引入的正弦振荡产生的．用子波分析对壁湍流脉动速度信号进行多尺度分解，用子波系数的瞬时强度因子和平坦因子检测壁湍流多尺度相干结构，并提取不同尺度相干结构的条件相位平均波形，研究不同频率的吹吸扰动对平板湍流边界层多尺度相干结构的影响，结果表明，扰动对边界层近壁区域平均速度分布、能量随尺度分布以及多尺度相干结构及其条件相位平均波形，都有显著影响，其中32Hz扰动影响最大．     

基于小波及Hilbert-Huang变换提取壁湍流相干结构

为了研究壁湍流中的相干结构,在直流抽吸式低（变）湍流度风洞的实验段中,应用恒温热线风速仪IFA-300精确测量平板湍流边界层不同法向位置的流向速度信号.分析壁湍流脉动速度的概率密度分布,并与高斯分布比较,验证了壁湍流中相干结构引起的猝发现象的统计规律.提出了一种利用小波变换和Hilbert-Huang（HHT）变换相结合来提取相干结构的方法.对壁湍流脉动速度进行HHT变换,通过变换后各模态的能量分析,分离出主要含能模态对应的相干结构.利用小波重构法继续提取未分离的小尺度相干结构.对剩余湍流信号进行概率统计,并比较提取的全部相干结构与原始湍流信号的波形和HHT边际谱,验证了湍流信号既包含非随机的相干结构信号也包含随机的非相干信号.     

湍流多尺度相干结构间歇性的PIV实验研究

利用粒子成像测速(PIV)系统测量了湍流边界层中流向速度平面,并对湍流多尺度相干结构统计特性进行了实验研究.利用连续子波变换,计算了不同尺度、不同法向位置的子波系数概率密度函数.结果发现缓冲区有着更强的间歇性.利用子波系数量化湍流间歇性的方法,应用推广的自相似律(ESS),计算了子波系数结构函数的标度指数.研究表明:当多尺度相干结构被提取出后,利用子波系数计算的ESS标度律就符合科尔莫戈罗夫提出的线性标度律,验证了多尺度相干结构是湍流边界层产生奇异标度律的原因.此外,利用PIV系统测量的数据,给出了流向平面内的以子波系数表达的能量分布.这种方法有利于进一步对多尺度相干结构在空间平面内的辨识与特性进行研究.     

湍流边界层多尺度相干结构的子波自相关辨识

采用热线风速仪测量平板湍流边界层的流向速度信号,运用连续子波变换的自相关分析,研究边界层相 干结构的变化规律,提出了子波尺度与涡时间尺度关系的计算式．结果显示,相干结构在时空中呈多尺度分布,在 对数区集中在较大尺度,在缓冲区扩展到较小尺度,越靠近黏性底层,拟序运动越明显,并向更小尺度发展;广泛存 在的相关性很弱的小尺度涡成为数量巨大、含能很少的背景湍流．子波变换的自相关分析可以定性,也可定量显示 涡的时空特性,是研究湍流多尺度相干结构的有效方法．     

气液两相流多尺度相干结构及其间歇性

小波分析用于流体力学的研究已有一定的进展,采用恒温热膜测速技术,以高于对应的最小湍流时间尺度分辨率,精细的测量了鼓泡塔内不同空间位置的瞬时气液两相流动速度信号。基于子波系数的瞬时局部平坦因子,提出用子波分析检测湍流多尺度相干结构的条件采样方法,以单气泡结构的相位平均波形为基础,对鼓泡塔内气液两相湍流场进行了研究。结果表明:鼓泡塔中气泡结构是两相湍流产生奇异性和间歇性的诱因,喷嘴出口区域的一定喷射锥角范围内,才有气泡结构,并受到对应的平坦因子及间歇性的影响。     

沟槽壁湍流减阻机理的氢气泡流动显示及数字图像分析

应用氢气泡流动显示和数字图像处理技术,对微型沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.对开口循环水槽中沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带流动结构及其猝发现象进行了氢气泡流动显示,应用"帧间比较"定量分析方法,获得了水平平面内流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布,并对沟槽壁面和平板壁面近壁面区域湍流相干结构的氢气泡流动显示图像进行了比较分析,根据流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布分析了沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带结构的展向尺度特征,从壁湍流相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.     

减阻沟槽表面近壁湍流相干运动的实验研究

以光滑平板及间隔V型减阻沟槽面为研究对象，利用二维激光多普勒测速系统(laser doppler velocimetry, LDV)，获得零压力梯度时光滑平板及沟槽板上部区域湍流边界层流场的流向和壁法向的湍流脉动分量.考察了沟槽对速度脉动的二阶及三阶相关统计参数的影响，并将这些相关量的变化情况与边界层中的相干运动相结合，由此来探讨沟槽面与湍流边界层之间的相互作用规律.     

贴壁方柱湍流场高分辨率PIV实验研究

采用粒子图像速度场测试技术(PIV),测量了低速循环水槽中贴壁二维方柱湍流场.实验中采用了1 100万像素CCD相机,所测得的速度矢量空间分辨率达0.72 mm×0.72 mm.通过对该分离再附湍流的1 500个瞬时速度场数据进行统计分析,获得时均速度场及时均再附点精确位置,并得到了流向、法向速度分量的脉动强度和涡量场.此外,从流场回流因子分布可知低速回流区在法向的振荡幅度为0.15D(D为方柱截面边长),而沿流向上下游的振荡幅度分别为0.5D和2D,表明旋涡相干结构输运、再附过程以及回流区的低频振荡对流场影响较大.     

后台阶分离再附湍流流动的实验研究

采用激光粒子图像速度仪(PIV)对低速水槽中二维后台阶分离再附湍流流动进行了系统的实验研究．通过大量重复高空间分辨率瞬态速度场测量,获得了时均再附点位置和时均速度场．对实验结果进行统计分析得到了流向、法向速度分量的脉动场、雷诺应力场和展向涡量场,并给出了小涡结构配对、合并和大尺度相干旋涡结构形成过程中所出现的流动特征．     

平板边界层湍流的数值分析

对于不可压缩平板边界层的时间模式的直接数值模拟(DNS)而言,在转捩后继续计算,就可以得到湍流直接数值模拟结果.分析计算结果发现,当湍流充分发展后,其平均流剖面、各种量的脉动均方根值和雷诺应力等沿平板法向的分布都具有相似性.不过,从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程,其间上述相似性不成立.这一结果为简化但又较准确地计算工程技术问题中的湍流提供了一种可能性.此外,还分析了其他一些湍流特征,如形状因子和位移排移厚度随时间的演化规律.为了观察到相干结构,须将展向的计算域缩小一半,以增加分辨率,研究结果表明,湍流边界层近壁区存在相干结构,其主要表现是准流向涡或涡对.     

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.     

基于DNS数据库的超音速湍流边界层近壁区相干结构的研究

通过时间模式的直接数值模拟得到来流Mach数为4.5, Reynolds数Re_θ = 1094的充分发展平板湍流边界层的流场数据库. 采用实验研究中常用的检测方法对此流场进行相干结构检测, 发现超音速湍流边界层近壁区同样存在相干结构. 分析了Mu-level法、第二象限法和VITA法三种条件采样的检测结果, 发现Mu-level法检测到的是低速条纹, 第二象限法检测到的是低速条纹的上升部分, VITA法检测到的则是从低速条纹区到高速区的交界区. 尽管三种方法检测到的是不同的区域, 但它们都伴有准流向涡结构.     

压力梯度作用下相干结构的演化

采用共振三波的一个周期作为湍流边界层近壁区相干结构的初值，用直接数值模拟方法对有压力梯度，包括定常压力梯度和变压力梯度作用下相干结构的演化进行了研究，得出其各种特性的变化与实验观测到的结果一致。压力梯度对相干结构初始扰动波的选择以及演化过程都起作用，相比之下对前者的作用更大。条纹结构和流向涡之间有某种内在的紧密的联系，可能是产生流向涡的起因。     

壁面展向振动的可压缩槽道湍流的大涡模拟

采用大涡模拟对低雷诺数可压缩壁面展向高频振动的槽道湍流进行了模拟,详细研究了湍流相干结构的变化对边界层的温度场和热量输运的影响.首先,将得到的减阻数据和其他学者的结果进行对比分析,验证了该文的大涡模拟方法对展向振动控制的湍流模拟的可靠性.在此基础上,对温度场和热量输运进行了统计和分析,发现了槽道中的速度相干结构和温度结构始终保持高度的一致性;当速度相干结构受到抑制时,边界层中湍流对动量的输运和热量的输运同时下降,并且变化的趋势保持一致.这表明湍流相干结构在动量输运和热量输运中起到相同的主导作用.该文还得到了在合适的参数下,采用壁面展向振动技术可以实现平均壁面热流降低的结论.     

基于子波分析的气液两相流中相的识别

两相流的辨识技术较为困难。用热膜测速仪测量得到气液两相流信号，提出用子波分析的方法从气液两相湍流瞬时脉动速度信号中识别气泡结构的条件采样方法。利用子波能谱分析的能量最大准则，得到了一种用子波分析自动识别气液两相流中气液两相的新方法，该方法避免了人为确定阂值对经验的依赖性。     

壁面局部扰动激发湍流边界层近壁区相干结构的一种理论模式探讨

在壁面局部扰动作用下,应用直接数值模拟的方法,研究探讨了湍流边界层近壁区相干结构形成的一种理论模式．数值结果表明,固壁表面某个局部位置存在的某种局部扰动能激发出湍流边界层近壁区的相干结构,其形成机理的许多方面与直接数值模拟和实验结果相符,且演化规律和特性与壁面局部扰动的强度、结构分布及加入到近壁区域内的局部扰动的能量多少等因素密切相关,这些关键性参数在湍流边界层近壁区相干结构成因的过程中起着重要的作用．因此,壁面局部扰动不仅给出了激发湍流边界层近壁区相干结构形成机制的一种理论方法,而且也完善了湍流边界层相干结构产生的物理模型．     

展向和流向间距不同的粗糙元壁湍流ADV实验研究

为了揭示粗糙元对壁湍流的影响,采用声学Doppler流速仪(ADV)对布有展向或流向圆柱形粗糙元的壁湍流进行了实验测量。研究了不同Reynolds数下不同间距粗糙元对壁湍流流向平均速度和湍流度的影响。结果表明:在同一Reynolds数下,粗糙元展向间距为7倍直径时的壁湍流流向平均速度最小,湍流度最大。粗糙元流向布置的壁湍流流向平均速度随粗糙元间距的减小而减小,湍流度随粗糙元间距的减小而增大。相比流向粗糙元,展向粗糙元对湍流流动特性影响更大。研究结果对壁湍流流动控制和强化换热的工程应用具有指导意义。     

壁湍流低速条带失稳和再生的数值研究

该文采用Fourier-Chebvshev谱方法,通过直接数值模拟研究了壁湍流拟序结构中低速条带的变化及相互作用.模拟了展向扰动作用下两条展向并列的直条带的失稳(抬升、振动、破碎)及其相互作用过程.结果表明,受基模式扰动的条带可以诱导流向涡的形成,而流向涡又促进条带的进一步抬升、振动和破碎.破碎后的条带在亚谐模式扰动作用下形成新的条带,新条带被再次诱导失稳.该文结果有助于研究壁湍流摩擦阻力的形成.     

湍流相干结构与壁压强脉动关联的小波分析

在风洞中同时测量平板湍流边界层的速度和壁面脉动压强,用小波分析法结合能量最大判别准则确定湍流边界层相干结构的时间尺度和壁压强脉动的时间尺度之间的关系．结果表明：压强脉动信号的小波能谱最大值对应的时间尺度与湍流边界层相干结构的特征尺度接近,可以利用壁面压强脉动信号的分析结果间接反映经过边界层的相干结构的时间特征．本研究选择复数Morlet小波作为小波母函数,有较好的分辨率．     

钝体尾流的双重小波包分解

根据湍流相干结构和非相干结构不相关的特性，提出了一种钝体尾流双重小波包分解的新算法，将湍流的运动分解成相干分量和非相干分量，该算法以湍流相干分量和非相干分量的相关系数作为迭代的控制指标，减小了过去算法中的随意性，用该算法对大长宽比的钝体尾流三维超声波流速仪测量数据的分析表明：1)钝体间距与宽度之比大于4时，钝体间的相互影响可以忽略不计；2)流线型的钝体尾流紊动强度较小。