15931.高聚物溶液湍流邊界層減阻機(jī)理的trpiv實(shí)驗(yàn)研究

1、天津大學(xué)博士學(xué)位論文高聚物溶液高聚物溶液湍流邊界層湍流邊界層減阻機(jī)理減阻機(jī)理的TRPIVTRPIV實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究研究TRPIVExperimentalStudyonDragReductionMechanisminTurbulentBoundaryLayerwithPolymerAdditives一級學(xué)科：力學(xué)學(xué)科專業(yè)：流體力學(xué)作者姓名：管新蕾指導(dǎo)教師：姜楠教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二零一五年五月I中文中文摘要摘要自高聚物溶液減阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以

2、來，這一獨(dú)特的減阻現(xiàn)象引起了廣泛關(guān)注。然而高聚物和湍流組成的物理系統(tǒng)異常復(fù)雜，它們之間的動力學(xué)相互作用仍不明確，高聚物在湍流中產(chǎn)生減阻效應(yīng)的原因尚未完全清楚，減阻的機(jī)理還有待深入探究。目前湍流邊界層中高聚物減阻的實(shí)驗(yàn)研究缺乏對相干結(jié)構(gòu)，尤其是多尺度相干結(jié)構(gòu)的全面分析。相干結(jié)構(gòu)作為湍流中重要的結(jié)構(gòu)單元，對湍流產(chǎn)生、維持、演化和發(fā)展有著重大影響。本文對添加高聚物的湍流流場進(jìn)行研究，并結(jié)合流動中相干結(jié)構(gòu)的分析，全面地了解高聚物和湍流之間的動力

3、學(xué)相互作用，以便進(jìn)一步揭示壁湍流中高聚物的減阻機(jī)理。本文利用高時(shí)間分辨率粒子圖像測速(timeresolvedparticleimagevelocimetryTRPIV)技術(shù)對湍流邊界層中高聚物的減阻機(jī)理及多尺度相干結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。TRPIV系統(tǒng)精確測量了兩組雷諾數(shù)下清水和不同濃度的聚丙烯酰胺(polyacrylaePAM)溶液的壁湍流流場，記錄并分析了流向法向和流向展向平面內(nèi)的二維瞬時(shí)速度矢量。清水和PAM溶液中速度統(tǒng)計(jì)量的對比結(jié)

4、果表明，盡管高聚物對流向湍流度的峰值幾乎沒有影響，但法向脈動速度、雷諾切應(yīng)力及展向渦量均比清水中的情況大為降低，而且統(tǒng)計(jì)量峰值的位置更加遠(yuǎn)離壁面，其法向分布變寬。受湍流影響而沿流向拉伸的高分子反作用于湍流，顯著削弱了法向和展向相干運(yùn)動的能量，阻礙了湍動能從流向分量向另外兩個(gè)分量的傳遞。并且具有黏彈性的高分子伸長后存儲了原本由小尺度湍渦因黏性作用而耗散的湍動能，導(dǎo)致湍流能量的級串過程在小尺度部分被改變。高聚物對湍流物理量的影響，在本文涉及

5、的雷諾數(shù)范圍中，均隨著溶液濃度的增加而越發(fā)明顯，但是這種變化逐漸趨緩。通過分析脈動速度的相關(guān)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)PAM溶液中相干結(jié)構(gòu)的流向尺度隨濃度的增加而緩慢增長，但法向上受到壓縮。條件平均和線性隨機(jī)估計(jì)(linearstochasticestimationLSE)等方法提取的發(fā)卡渦、發(fā)卡渦渦包等結(jié)構(gòu)的對比分析表明，高聚物使發(fā)卡渦從湍流平均場獲取的能量減少，渦旋強(qiáng)度減弱，抑制了新發(fā)卡渦的產(chǎn)生，并且渦包中的獨(dú)立發(fā)卡渦數(shù)量也隨之減少。高聚物對流體法