壁湍流相干結(jié)構(gòu)及其溝槽被動(dòng)控制的PIV實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文以壁湍流多尺度相干結(jié)構(gòu)為研究對象，以研究溝槽減阻技術(shù)為目的，綜合采用2D TR-PIV(two-dimensional time-resolved particle image velocimetry), TR-SPIV(time-resolved stereoscopic PIV)和TR-TPIV(time-resolved tomographic PIV)等三種粒子圖像測速技術(shù)，分別采集得到了不同雷諾數(shù)下光滑壁面、溝槽壁面湍流邊

2、界層內(nèi)速度矢量場數(shù)據(jù)庫，并輔以流動(dòng)顯示和HWA(hot-wire anemometry)測量技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)庫的可靠性。
　　根據(jù)定義，分別計(jì)算得到Reθ≈2460時(shí)光滑壁面湍流邊界層耗散尺度、剪切尺度、泰勒微分尺度、積分尺度等典型空間特征尺度分別為3-5，40-100，20-50，4000個(gè)壁面單位；其中耗散尺度、泰勒微分尺度隨法向位置增加，剪切尺度在靠近壁面的區(qū)域隨法向位置變化不明顯，積分尺度基本不隨法向位置變化。使用速度矢量

3、對應(yīng)分量的空間自相關(guān)法，計(jì)算得到的光滑壁面湍流邊界層不同尺度湍渦的流向空間長度在小尺度情況下，總體上沿法向增大，且在近壁面，展向尺度與流向尺度相當(dāng)，在湍流邊界層外邊界之外，湍渦結(jié)構(gòu)的空間尺度逐漸趨于相等；大尺度的情況下，平板湍流邊界層中湍渦結(jié)構(gòu)的空間尺度隨著法向位置先增加，后增加趨緩并基本保持不變，且總是流向尺度大于展向尺度，法向尺度最小。
　　通過改進(jìn)的象限分裂法和新條件相位平均技術(shù)分層檢測和提取得到了一種含“鞍點(diǎn)”的反對稱“四

4、極子”相干結(jié)構(gòu)，該統(tǒng)計(jì)模型的空間拓?fù)湫螒B(tài)具有相似性，且在法向相似性最好；它與“猝發(fā)”事件及脈動(dòng)渦量之間存在內(nèi)在聯(lián)系，以“噴射”事件為檢測中心時(shí)，Q2和Q1共同作用使得壁面低速流體噴向外區(qū)；以“掃掠”事件為中心檢測，Q3、Q4事件使得外區(qū)高速流體掃向壁面，即該“四極子”相干結(jié)構(gòu)“猝發(fā)”事件是湍流動(dòng)能產(chǎn)生和耗散的媒介；沿著流向自上游向下游，“猝發(fā)”事件發(fā)生存在著一個(gè)Q4-S-Q2-Q3-Q2-Q1-Q4-S-Q2-Q3-Q2-Q1的準(zhǔn)周期，

5、Q2事件發(fā)生的概率高于Q4事件。這類含“鞍點(diǎn)”的相干結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)模型，是湍流邊界層內(nèi)湍渦結(jié)構(gòu)的普適模型，是湍流形成、發(fā)展及維持的重要原因。
　　零壓力梯度光滑壁面和減阻溝槽壁面湍流邊界層2D TR-PIV對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溝槽無量綱間距位于經(jīng)典減阻曲線的黏性線性區(qū)時(shí)，在緩沖層內(nèi)相同法向位置處，兩類壁面湍流邊界層各自基于摩擦速度的無量綱時(shí)均速度幾乎相等，而對數(shù)律層明顯外移，此時(shí)的減阻特征主要體現(xiàn)在溝槽壁面對對數(shù)律層的影響上，減阻主

6、要與位于溝槽上方的（準(zhǔn)）流向渦及其行為有關(guān)，流向渦的展向行為被抑制，邊界層保持穩(wěn)定；而對應(yīng)溝槽間距位于減阻曲線的黏性線性區(qū)末段，減阻率在最優(yōu)值附近，溝槽對邊界層緩沖層影響明顯，緩沖層厚度增加；減阻溝槽壁面無量綱時(shí)均速度明顯增大，而在對數(shù)律層雖略有外移但趨于一致；減阻溝槽壁面湍流邊界層沿流向湍流度及雷諾應(yīng)力各分量皆比同條件下光滑壁面湍流邊界層對應(yīng)統(tǒng)計(jì)特征量要小，溝槽壁面降低了湍流邊界層內(nèi)流體的湍性；其沿流向平均偏斜因子和平坦因子總體上與光

7、滑表面分布規(guī)律一致，但溝槽結(jié)構(gòu)的存在降低了湍流邊界層近壁區(qū)及對數(shù)律層的流向及法向偏斜因子，湍流流動(dòng)的間歇性減小。
　　溝槽壁面對湍流邊界層“四極子”相干結(jié)構(gòu)“猝發(fā)”事件產(chǎn)生影響，使得Q2和Q4事件的法向脈動(dòng)速度均明顯減小，溝槽減阻主要體現(xiàn)在抑制流體的法向脈動(dòng)上；另外，溝槽使得“四極子”渦對的渦量強(qiáng)度減弱，降低了其對低速流體的誘導(dǎo)能力?？梢?，一方面溝槽使得湍流“猝發(fā)”事件次數(shù)減少；另一方面使得“猝發(fā)”事件強(qiáng)度減弱。即在溝槽附近，低速

8、條帶的“猝發(fā)”不像光滑壁面那么劇烈，這種強(qiáng)度較弱的湍流“猝發(fā)”，不會(huì)導(dǎo)致近壁區(qū)的（準(zhǔn)）流向渦發(fā)展演化形成所謂的發(fā)卡渦（包）結(jié)構(gòu)，也不會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生更小的湍渦結(jié)構(gòu)，從而相應(yīng)減弱了湍流邊界層內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的發(fā)展和邊界層內(nèi)動(dòng)量的交換，抑制和破壞了湍流的自維持機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)壁面減阻。TR-TPIV速度矢量場數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了溝槽對湍流邊界層內(nèi)三維典型“四極子”相干結(jié)構(gòu)的影響。這類統(tǒng)計(jì)意義上的“四極子”相干結(jié)構(gòu)存在于兩種湍流邊界層內(nèi)不同法向高度處。

9、溝槽削弱了邊界層近壁區(qū) Q2和Q4“猝發(fā)”事件發(fā)生時(shí)，三維“四極子”相干結(jié)構(gòu)展向渦量的幅值。另外，“猝發(fā)”事件發(fā)生次數(shù)的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)一步表明溝槽對Q4事件的抑制最為明顯，其抑制了邊界層外區(qū)高速流體通過Q4事件掃向壁面的能力，從而減小了壁面摩擦阻力。溝槽的存在還使得湍流邊界層內(nèi)“四極子”相干結(jié)構(gòu)的法向位置整體外移，三維性更為明顯，且其流向尺度更大?？傊瑴喜鄣臏p阻效應(yīng)貫穿湍流邊界層緩沖層、對數(shù)律層及外區(qū)。
　　另外，增阻溝槽湍流邊界層煙

10、霧流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)證明了因“開爾文-亥姆霍茲”不穩(wěn)定性的出現(xiàn)，使得溝槽邊界層時(shí)-空平均流向速度剖面出現(xiàn)拐點(diǎn)而產(chǎn)生的展向“類開爾文-亥姆霍茲”渦棍結(jié)構(gòu)的存在性；它們在溝槽間距剛剛超出最優(yōu)減阻區(qū)時(shí)形成，主要出現(xiàn)在溝槽壁面邊界層+≈26以內(nèi)；典型的“類開爾文-亥姆霍茲”展向渦棍結(jié)構(gòu)其流向波長+≈40-90，展向波長+≥100；流向相鄰展向渦之間的距離?+≈150-200。TR-SPIV速度矢量場數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了增阻溝槽湍流邊界層內(nèi)“類開爾