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.     

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.     

湍流边界层近壁区相干结构的动力学模型

应用湍流边界层近壁区单个相干结构的理论模型, 通过数值模拟的方法研究了两个相干结构的相互影响, 解释了出现低速条纹的原因.     

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.     

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．     

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     

高频测量输沙浓度对湍流脉动的频率响应

为揭示风沙流中输沙浓度对湍流脉动的响应频率,在边界层风洞中对不同粒径沙样进行了两相同步测量.采用高速数字相机以2 000帧/s拍摄跃移粒子连续图像以计算瞬时输沙浓度,配合热线风速仪同步记录跃移层内的湍流脉动.结果表明,沙粒瞬时浓度变化呈典型的随机过程,其频谱规律表明输沙浓度只能响应含能较高的低频湍流脉动.引入小波包变换分析两相数据的能量结构,结果显示沙粒浓度的能量波动约有90%集中在500 Hz内的低频段.输沙浓度对湍流脉动的响应频率受粒子尺寸的影响,对于100～125μm的小粒径沙样,阈值响应频率约为40 Hz,对于300～500μm的大粒径沙样,响应频率约为30 Hz.     

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.     

一种近壁湍流封闭的理论模型

提出在湍流边界层近壁区采用共振三波的理论模型描述湍流相干结构,根据理论模型系统计算了湍能耗散率输运方程各项的分布,由计算所得理论ε值和ω值计算了平均速度分布.对于靠近壁面的黏性作用层,计算所得理论值与直接数值模拟符合很好,表明该理论模型不仅有益于对湍流机制的了解,而且可能为近壁湍流模型开辟一条新的途径.     

大涡结构在有压梯度边界层流中的演化机理

采用直接数值模拟方法,研究大涡结构在不同压力梯度作用下的非线性演化特征.计算结果表明:在逆压梯度条件下,大涡结构幅值快速增长,形成很强的流向涡结构,雷诺应力迅速增加,这可能导致猝发现象的产生;与此相反,在顺压梯度边界层流中,大涡结构很难被激发起来,易于流体流动趋于稳定状态.这些结论与某些理论和试验结果一致.     

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.     

近壁空泡基于非拟序结构与拟序结构的运动规律

以小粒径的空泡为例，从MORRISON方程出发导出湍流边界层模式的非拟序结构下空泡的近壁区运动方程，且进一步从湍流近壁拟序结构的基本观点出发导出了基于该结构时空泡的近壁区运动方程；对空泡在两种结构下的运动进行了对比分析，结果表明近壁湍流的拟序结构可以认为是空泡对壁面产生剥蚀破坏的水流内部结构主要的因素之一。理论公式导出的空泡相对壁面的人射角度与试验观测到的数据较为吻合。     

沙波附近紊流拟序结构特性初步研究

在底部为定床沙波的循环水槽中采用流场综合分析法将流动显示与计算机图像处理相结合进行系统实验研究，重点研究了紊流猝发形态和特性。分析表明：沙波床面对明渠紊流拟序结构的特性有重要影响。水流在沙波坡顶分离，沙波周围高于沙波顶部的流区为自由紊流区，低于沙波顶部的流区为沙波紊流区；在自由紊流区典型的剪切混合层也有显著的以喷射和清扫为主要特征的猝发现象；在沙波紊流区的沙波迎水坡面上水流分离，在背水坡附近产生漩涡；自由紊流区与沙波紊流区之间的紊流拟序结构不同，它们相互作用的结果产生了特有的泡漩现象；沙波紊流区和自由紊流区的紊流拟序结构和它们的相互作用对可冲积河流的水流与泥沙运动有决定性作用。     

平面自由湍射流拟序结构的大涡模拟研究

对空间发展的平面不可压缩湍射流拟序结构的非定常演化过程进行了大涡模拟。采用标志物浓度等值线分布示踪平面射流气相流动 ,Reynolds数为 1130 0 ,模拟结果再现了平面射流中 Kelvin- Helm holtz不稳定性的发生以及展向大尺度涡的卷起、合并、破碎过程。捕获到了射流拟序结构剧烈相互作用的“偶极子”和“三极子”现象。在拟序结构的配对过程中 ,大尺度旋涡的尾迹混合形成了流向“发卡”型拟序涡结构。平面射流拟序结构的时空演化过程所呈现出的卡门涡街特征主要集中于初始段的后部和过渡段的前端。数值流场显示结果和染线法的实验结果吻合得很好     

路基挡土墙土压力的极限分析法

针对传统黏性土路基土压力计算理论的不足之处,提出利用极限分析法计算黏性土路基挡土墙的主动土压力,把土的黏聚力作为一个单独的计算因素,推导出相应的计算公式,使之更适合于一般情况下的土压力计算,并通过算例与传统的计算方法相比较,表明极限分析法的正确性和有效性,可用于实际工程。     

用压力波动的小波高频分量检测燃烧不稳定性

针对燃烧不稳定性检测问题,提出利用燃烧压力波动的小波高频分量检测燃烧不稳定性的方法.为验证该方法,采用微压传感器测量了层燃炉稳定燃烧和不稳定燃烧工况下的压力波动,运用Daubechies一阶小波提取了它们的高频分量进行对比.结果表明,压力波动的小波低频分量表征了炉内压力水平的整体变化,而高频分量则与湍流和燃烧噪音强度变化一致.燃烧稳定时,小波高频分量幅值基本恒定;而燃烧不稳定时,压力波动的小波高频分量的幅值出现较大波动.     

水下爆炸船体结构壁压信号时频特征分析

为了研究水下爆炸条件下船体结构壁压信号时频特征,基于某船体结构模型水下爆炸实验壁压数据,利用小波变换良好的时频局部化性质,对壁压信号进行时频特征分析,得到壁压信号在不同频带上的压力时程曲线和能量分布.结果表明,利用小波变换可以方便地获得壁压信号强度、频率和持续时间等时频细节信息.能量统计表明,壁压信号频带分布很广,超过80%的能量主要集中在20kHz以下,5kHz以下频带能量最大.