強擾動作用于邊界層的PIV實驗研究.pdf

1、根據(jù)強擾動與邊界層作用形式的不同,強擾動可以劃分為:邊界層外的鈍體尾跡擾動和邊界層內(nèi)的表面結(jié)構(gòu)擾動。本文綜合采用二維PIV、TR Tomo-PIV以及折射率匹配等多種實驗技術(shù)對多種形式的擾動:邊界層外展向尾跡渦擾動、邊界層內(nèi)半球擾動和相互作用的新月牙形沙丘擾動,作用于邊界層分別進行了實驗研究。實驗表明以上三種形式的強擾動均會與邊界層直接作用,從而產(chǎn)生新的相干結(jié)構(gòu):展向尾跡渦擾動在邊界層中誘導(dǎo)產(chǎn)生展向二次渦結(jié)構(gòu);半球擾動下游周期性誘導(dǎo)產(chǎn)生

2、發(fā)卡渦結(jié)構(gòu);相互作用的新月牙形沙丘背風面呈現(xiàn)出復(fù)雜的分離渦結(jié)構(gòu)。對比湍流邊界層中TR Tomo-PIV數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)邊界層在強擾動的直接作用下所產(chǎn)生的新相干結(jié)構(gòu)并沒有直接表現(xiàn)出湍流邊界層中相干結(jié)構(gòu)的存在形態(tài)(發(fā)卡渦、發(fā)卡渦渦包、大尺度高低速條帶結(jié)構(gòu)等在空間中的組合形態(tài)),并且在不同形式強擾動的作用下,邊界層中新生成的相干結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了更加豐富的特征形態(tài)。
　　因此,本文分別對不同形式的強擾動作用于邊界層進行了實驗研究,得到如下主

3、要結(jié)論:
　　1.展向圓柱尾跡在與邊界層的直接作用過程中產(chǎn)生了新的相干結(jié)構(gòu)—二次渦結(jié)構(gòu),從而引起了邊界層的旁路轉(zhuǎn)捩。運用TR PIV對整個轉(zhuǎn)捩過程進行實驗,發(fā)現(xiàn)尾跡渦對二次渦的誘導(dǎo)—發(fā)卡渦的演化—發(fā)卡渦渦包的生成均起到了加速和抬升的作用?；跅l件平均的統(tǒng)計結(jié)果得出:在轉(zhuǎn)捩過程中發(fā)卡渦的渦頭向上抬升與壁面垂直,約90°的傾角;在轉(zhuǎn)捩末段,發(fā)卡渦渦包也呈現(xiàn)出更大的統(tǒng)計特征,與壁面的傾角達到了17°,在法向高度為0.2δ的流向/展向平面

4、內(nèi)渦腿之間的展向間距為0.55δ。
　　2.運用動力模態(tài)分解方法(DMD)對半球擾動下游發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)TR PIV速度場進行分解,從時域角度有效地分解出了剪切流中發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)主模態(tài)和發(fā)卡渦在壁面位置誘導(dǎo)出的次級相干結(jié)構(gòu)模態(tài);同時,運用正交模態(tài)分解(POD)從能量的角度,證實了發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)在隨著向下游傳播的過程中能量逐漸衰減的特征,從而對整個半球擾動下游流場的相干結(jié)構(gòu)有了多角度的認識。
　　3.基于折射率匹配方法,選取透明高分子材料U

5、optic2制作新月牙形沙丘模型,碘化鈉溶液作為流體介質(zhì)實現(xiàn)了532nm激光折射率的匹配,從而解決了PIV等光學實驗中固體模型與液體邊界導(dǎo)致光學反射、折射、變形等難題。獲得了邊界層中相互作用的同軸、偏軸新月牙形沙丘周圍不同法向高度流向/展向平面內(nèi)的全局速度信息。對于相互作用的同軸沙丘工況,上游的沙丘尾跡渦會直接脫落作用在下游沙丘迎風面上,從而改變了下游沙丘的來流能量強度,降低了下游沙丘頂部尾跡流動的雷諾應(yīng)力強度和渦強強度。對于相互作用的

6、偏軸沙丘工況,下游沙丘的存在改變了上游沙丘翼角的分離流,也改變了上游沙丘回流區(qū)內(nèi)的對稱性,增強了展向的雷諾應(yīng)力強度,下游的沙丘在受到了傾斜的集中來流的影響后,尾跡流動也呈現(xiàn)出不對稱性。
　　4.通過條件平均、能譜分析、泰勒凍結(jié)假設(shè)以及空間互相關(guān)等方法對湍流邊界層中時空四維的TR Tomo-PIV數(shù)據(jù)進行分析,對發(fā)卡渦、發(fā)卡渦渦包、低速條帶等相干結(jié)構(gòu)的空間拓撲形態(tài)及相互關(guān)系有了進一步的認識:大尺度的高速、低速條帶結(jié)構(gòu)在空間中交替分布