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.     

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．     

壁湍流相干结构猝发过程中雷诺应力的相位平均波形

用IFA300恒温热线风速仪和×形二分量热线探针精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号. 用子波变换对瞬时流向、法向速度分量进行多尺度分解. 用子波分析辨识壁湍流相干结构猝发事件的能量最大准则检测壁湍流相干结构猝发事件的上抛和下扫运动; 研究了相干结构猝发过程中流向、法向速度分量及雷诺应力的条件相位平均波形的相位关系; 研究了相干结构猝发的动力学过程及其对壁湍流统计性质的影响.     

湍流相干结构对边界层中标量扩散的影响

在大气边界层风洞和玻璃水槽中进行湍流边界层流动中的标量扩散模拟试验和机理研究．通过流动显示、湍流测量和频谱分析，已表明湍流边界层中的间歇现象在标量扩散过程中起着重要作用．烟雾在大气中的扩散、悬浮污染物质在河流中的扩散都属于湍流边界层中的标量扩散问题．在近源区，标量扩散主要受到各向异性湍流相干结构的影响，结果往往在近源区会出现局部的较高浓度的污染物质．采用流动显示和频谱分析相结合的研究方法，得到了在某些流动条件下的湍流相干结构时间和空间尺度近似值     

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．     

串列双圆柱绕流问题数值模拟的多尺度分析

运用有限体积法,对串列放置的双圆柱二维不可压缩流动进行了直接数值计算.在分析Strouhal数及升阻力系数等积分量的基础上,本文从流动多尺度层面研究了流场分布及涡结构.通过对速度场的流动显示和频谱分析,确定了涡脱落的多个频率,以及分别受上游圆柱和下游圆柱边界层扰动形成的多尺度涡的相互作用,并且发现由于多尺度涡的相互作用形成了更小尺度涡的过程及机理.最后,进一步将这些涡结构与流场模态对应起来,使得流场结构更加清晰地展现出来.     

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.     

湍流大涡模拟的时空关联方法

本文介绍了湍流大涡模拟的时空关联方法,它用于检验和发展大涡模拟的亚格子尺度模型,其目的是提高大涡模拟方法对于欧拉和拉格朗日时空关联的预测准确度.现在广泛使用的湍流涡黏亚格子模型的理论基础是能量平衡方程,它们能够正确预测湍流的空间能量谱,但不能正确预测湍流的时间能量谱.本文针对大涡模拟的时间尺度问题,从时空耦合的观点出发,综述了作者近年来在时空关联方法方面的研究工作.理论分析和数值模拟结果表明,大涡模拟总是高估湍流的时间尺度,其物理机制是涡黏亚格子模型仅能耗散小尺度能量,但不能反映亚格子涡对大尺度涡的随机反馈作用.小尺度湍流会影响颗粒的聚集程度和相对扩散.建立亚格子湍流的拉格朗日时间尺度模型,为携带颗粒湍流大涡模拟中基于随机微分方程的颗粒相亚格子模型提供封闭参数,并用于颗粒湍流扩散的大涡模拟.     

子波方法提取Rayleigh-Bnard对流温度信号的相干结构

采用子波分析方法 ,对 Rayleigh- Bénard对流中温度脉动信号进行了分析 ,根据子波系数方差取极大值的判别准则 ,确定出了对应于温度信号相干结构的尺度或频率 ,然后采用给出的确定尺度下的连续子波反变换公式 ,不需要加入任何门限 ,提出了温度信号相干结构所对应的波形。为证明该方法的有效性 ,还对一个给定的“余弦相干信号 +随机噪声信号”,进行了提取余弦相干信号的数值实验 ,结果表明 ,该方法能够较准确地提取出代表相干结构的余弦信号。     

Stochastic method to determine the scale and anomalous diffusion of gusts in a windy atmospheric boundary layer

In the atmospheric boundary layer, especially during strong wind period, the coherent structures are obvious and related to the direct interaction of the air masses with the ground. In this paper, we used the observation data during dust weather in Northwest Gansu to study the coherent structure and their ＂anomalous diffusion＂. The structures in the atmospheric boundary layer included turbulent fluctuations and gusty wind disturbances, and could be denoted as ＂critical events＂. Their fractal dimensions were expressed by the complex index μ of waiting times. Although the complex index can indicate the ability of the system to generate coherent structures, it has a strong dependence on the threshold marking the ＂critical events＂. Hence, the continuous time random walk method was used to analyze the coherent structures. The scaling law of anomalous diffusion of coherent structures was obtained, and the diffusion scaling exponent H that indicated the ability of diffusion of different structures was analyzed. The exponents changed with structure scales which were affected by velocities and heights. At small scales, it was almost isotropic, and at large scales, the coherent structures were obvious and the diffusion was anomalous.     

湍流边界层雷诺应力和壁脉动压强相位滞后分析

在风洞平板湍流边界层外层引入圆柱尾涡的周期性扰动,在尾流干扰下的湍流边界层内进行测量,对相位滞后关系进行了实验研究,给出了湍流边界层内的雷诺应力和壁面脉动压强相对于边界层内的大尺度结构变形率的相位滞后沿壁面法向的变化趋势,分析结果表明剪切湍流涡粘模式中的涡粘系数应该是随时均流梯度变化的复数形式.     

Research into a theoretical mode of coherent structures in the wall region of a turbulent boundary layer induced by a wall local disturbance

The idea of applying direct numerical simulation (DNS), a theoretical mode of coherent structures in the wall region of a turbulent boundary layer, has been discussed in the literature. The various aspects of the formation mechanism of the coherent structures agree well with both DNS and experimental results. In addition, a close relationship has been found between the evolutional characteristics and factors such as the magnitude and structural distribution of the wall local impulse disturbance, and the amount of energy a local disturbance introduces into the wall region. Moreover, these parameters play key roles in the formation of coherent structures near the wall region of a turbulent boundary layer. Therefore, the wall local impulse disturbance provides a theoretical model for triggering the formation of coherent structures in the wall region of a turbulent boundary layer.     

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。     

Large Eddy Simulation of New Vortex Generator Enhancing Heat Exchange of Solar Energy

This paper put forward a new-type vortex generator enhancing heat exchange of solar air-drier and air-heater on the gas side,and investigated the mechanism of heat transfer enhancement and drag reduction by the influence of vortex generators on the coherent structure of turbulent boundary layer.The flow and heat transfer characteristics of rectangle channel with bevel-cut half-elliptical column vortex generators were obtained using large eddy simulation (LES) and the hydromechanics software FLUENT6.3.The instantaneous proper-ties of velocity,temperature and pressure in channel were gained.The coherent structure of turbulent boundary layer flow was showed, and the characteristic of vortex induced by inclined-cut semi-ellipse vortex generator and its influence on turbulent coherent structure were analyzed.And the effect mechanism of turbulent coherent structure on flow field,pressure field and temperature field was discussed.Based on the results,the heat trans-fer coefficient and drag reduction of the new vortex generator with different pitch angles were compared.Some-times.the coherent effects of the increased wall heat transfer and the decreased skin friction do not satisfy theReynolds analogy.The turbulent coherent structure can be controlled through the geometry of the vortex gener-ator.so the heat transfer and drag reduction can also be controlled.Then we can seek suitable form of vortex generator and structure parameters.in order to achieve the enhanced heat transfer and flow of drag reduction in the solar air-heater and solar air-drier.     

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。