后向臺(tái)階湍流分離流動(dòng)中的三維低頻擺動(dòng)研究.pdf

1、邊界層的分離和再附存在于很多工程應(yīng)用領(lǐng)域，并被廣泛研究。由于剪切層的K-H不穩(wěn)定性，在流動(dòng)分離后的初始部分剪切層內(nèi)會(huì)自然卷起大尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)，這個(gè)過程與幾乎不受下壁面影響的自由剪切層類似，通常被稱之為剪切層模態(tài)（Shear Layer Mode）。剪切層結(jié)構(gòu)沿著剪切層繼續(xù)配對(duì)并融合，而其特征頻率不斷減小直到剪切層再附到壁面上。融合后的結(jié)構(gòu)在附著區(qū)的運(yùn)動(dòng)過程被稱之為臺(tái)階模態(tài)（Step Mode or Preferred Mode）。在分離區(qū)

2、的中間區(qū)域有一個(gè)大尺度結(jié)構(gòu)周期性的長(zhǎng)大然后向下游脫落。大尺度結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)周期性過程也被當(dāng)作渦脫模態(tài)（Shedding Mode or Wake Mode）。部分研究認(rèn)為大尺度結(jié)構(gòu)的渦脫運(yùn)動(dòng)可能是由剪切層的整體低頻擺動(dòng)引起的，但沒有給出任何證據(jù)來證明。
　　本文使用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)后向臺(tái)階流動(dòng)中剪切層整體的非定常低頻擺動(dòng)與非定常渦脫運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系進(jìn)行了研究。在臺(tái)階下游底板上沿流向安裝了麥克風(fēng)陣列測(cè)量壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)，同時(shí)使用沿展向布置的單絲熱線陣

3、列在分離區(qū)域多個(gè)不同的位置對(duì)流場(chǎng)的速度進(jìn)行同步測(cè)量。通過壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)的POD分解發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)壓強(qiáng)的均方根值有超過70%是由平均再附點(diǎn)附近大尺度剪切層結(jié)構(gòu)造成的，而低頻擺動(dòng)所占的比例小于15%，且主要集中在x/H≤3.0的區(qū)域。展向熱線陣列測(cè)得速度的POD結(jié)果表明，剪切層內(nèi)大部分區(qū)域的運(yùn)動(dòng)為展向長(zhǎng)度尺度小于H的三維運(yùn)動(dòng)。具有大展向長(zhǎng)度尺度的運(yùn)動(dòng)最開始出現(xiàn)在沿著剪切層的回流區(qū)分離泡2/3的位置，以及向上游流動(dòng)的回流中。在回流區(qū)以及再附點(diǎn)位置附