開口后臺(tái)階引射及窄寬度二維臺(tái)階繞流的湍流非定常特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文以開口后臺(tái)階引射及窄寬度二維臺(tái)階繞流為主要對(duì)象，用實(shí)驗(yàn)手段研究了近壁湍流混合層旋渦運(yùn)動(dòng)的非定常特性。 本文用熱線風(fēng)速儀和麥克風(fēng)線列同步測(cè)量的方法，采集了后臺(tái)階開口引射湍流的全流場(chǎng)非定常信息，然后通過相關(guān)分析揭示非定常運(yùn)動(dòng)特征。多場(chǎng)同步測(cè)量和相關(guān)分析的實(shí)驗(yàn)研究方法便于從形似雜亂的湍流表像中提取直覺不易發(fā)現(xiàn)的內(nèi)在規(guī)律，因而有可能發(fā)展成為研究湍流的重要手段。作者在研究實(shí)踐中解決了測(cè)量?jī)x表的線列布置和同步采集控制問題。在壓力、速度等

2、多場(chǎng)耦合分析中引用了自功率譜、相關(guān)函數(shù)、相干函數(shù)、波數(shù)一頻率譜等譜分析方法，以及連續(xù)小波變換、最大重疊離散小波變換(MODWT)、基于MODWT的多分辨率分析和條件平均等處理手段，開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算軟件模塊，構(gòu)建了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，為相關(guān)分析的實(shí)際應(yīng)用做了基礎(chǔ)性工作。 關(guān)于常規(guī)封閉后臺(tái)階流動(dòng)研究的文獻(xiàn)資料相當(dāng)豐富，本文研究的開口后臺(tái)階引射湍流是后臺(tái)階繞流的一個(gè)分支。由于開口的存在，外界空氣將通過開口進(jìn)入流動(dòng)區(qū)域形成引射，與封閉后臺(tái)階繞

3、流相比，其流動(dòng)機(jī)制發(fā)生了重大變化。以往開口后臺(tái)階引射流的研究偏重于引射流量的測(cè)定，以滿足利用引射增加工質(zhì)流量或形成冷卻氣膜防止高溫部件過熱的工程設(shè)計(jì)需求，較少涉及引射湍流的非定常本質(zhì)。本文用多場(chǎng)同步測(cè)量和相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析方法詳細(xì)觀測(cè)了后臺(tái)階引射湍流的非定常特征，重現(xiàn)了后臺(tái)階引射湍流混合層內(nèi)旋渦發(fā)生和發(fā)展過程，分析了旋渦對(duì)引射流量的影響，加深了對(duì)引射湍流本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。 作者按照低速風(fēng)洞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制作了后臺(tái)階引射湍流實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞。設(shè)計(jì)中充分

4、考慮了多場(chǎng)同步測(cè)量的要求，在引射混合層區(qū)域的風(fēng)洞壁面布置了傳感器線列，用以采集壁面上非定常全場(chǎng)壓力信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了與熱線風(fēng)速儀速度測(cè)量的同步控制。通過后臺(tái)階引射湍流課題的研究實(shí)踐，作者經(jīng)歷了同步測(cè)量和相關(guān)分析的全過程，為這種湍流非定常流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究方法積累了經(jīng)驗(yàn)。 本文首先進(jìn)行開口后臺(tái)階繞流非定常速度和壓力場(chǎng)的同步測(cè)量，以無(wú)因次臺(tái)階高度H/δ(臺(tái)階幾何高度與來(lái)流邊界層厚度之比，它反映了流域的幾何特征)作為參數(shù)，歸納了后臺(tái)階引射湍

5、流的時(shí)均和頻譜特性。文中給出了H/δ=0.67，1.00和1.67條件下的非定常實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，以及對(duì)它們的時(shí)均和頻譜分析結(jié)果。 時(shí)均速度和雷諾應(yīng)力的分析表明，在臺(tái)階附近(即-1≤y/H≤0的區(qū)域、)，不同高度后臺(tái)階流動(dòng)的時(shí)均速度分布相似，剪切層則隨著臺(tái)階高度增加而增厚。由于受到下游固體壁面的影響，當(dāng)臺(tái)階高度增加(從H/δ=0.67增加到H/δ=1.67)時(shí)，混合層被逐漸抬升，與壁面之間的距離逐漸增加。速度脈動(dòng)的分析表明，當(dāng)臺(tái)階高

6、度較大(大于來(lái)流邊界層的厚度)時(shí)，臺(tái)階的存在對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，混合層中大尺度旋渦顯著增強(qiáng)，相應(yīng)的壁面壓力脈動(dòng)也增強(qiáng)。 壁面壓力脈動(dòng)系數(shù)、壁面壓力譜、速度脈動(dòng)功率譜、壁面壓力功率譜和壁面壓力脈動(dòng)波數(shù)分析表明，不管臺(tái)階的高度如何，開口后臺(tái)階引射流動(dòng)都主要受控于低頻fδ/U<,0>=0.044的大尺度旋渦結(jié)構(gòu)。壁面壓力脈動(dòng)的相干和波數(shù)--頻率譜分布表明，在大的臺(tái)階高度下，大尺度旋渦結(jié)構(gòu)的彌散較弱。壁面壓力譜與對(duì)應(yīng)流向位置上剪切層外

7、緣速度脈動(dòng)功率譜的對(duì)比表明，隨著臺(tái)階高度的增加，大尺度旋渦結(jié)構(gòu)對(duì)壁面壓力脈動(dòng)的貢獻(xiàn)增強(qiáng)。 然后，本文利用后臺(tái)階引射流動(dòng)壁面壓力脈動(dòng)與混合層湍流速度同步測(cè)量數(shù)據(jù)的相關(guān)分析，從海量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中把混合層旋渦信息分離出來(lái)，重現(xiàn)了旋渦發(fā)生、發(fā)展和脫落等運(yùn)動(dòng)過程及其非定常特征。 在臺(tái)階開口處卷吸產(chǎn)生的二次引射流和開口下游與壁面上方區(qū)域中二次引射流與主流摻混形成的混合層的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，混合層中大尺度旋渦結(jié)構(gòu)以一定的頻率脫落。MODWT

8、多分辨率分析以及混合層速度場(chǎng)、雷諾剪切應(yīng)力場(chǎng)和條件平均壓力場(chǎng)的互相關(guān)分析表明，H/δ=1.67混合層中大尺度旋渦脫落頻率St=0.075。從壁面壓力場(chǎng)的多分辨率分析中發(fā)現(xiàn)，即使在高階頻率分量St=0.15，0.29和2.34下，仍然可以觀察到有對(duì)應(yīng)的旋渦結(jié)構(gòu)存在。 引射口位置上流動(dòng)非定常特性的分析表明，由于受到混合層中大尺度旋渦結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用，引射口流量呈現(xiàn)周期性的脈動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)大尺度旋渦結(jié)構(gòu)在x/H=15.0發(fā)展到壁面的時(shí)刻，引

9、射流量達(dá)到瞬時(shí)最大。 此外，為了說(shuō)明同步測(cè)量相關(guān)分析方法對(duì)其它非定常流動(dòng)研究的有效性，本文在上述低速風(fēng)洞上進(jìn)行了窄寬度二維臺(tái)階繞流的實(shí)驗(yàn)研究。這種流動(dòng)模型是從分布式系列臺(tái)階繞流中提取出來(lái)的。系列臺(tái)階繞流有廣泛的工程應(yīng)用，如城市街區(qū)大氣污染物分布和環(huán)境質(zhì)量預(yù)測(cè)，線路基板上電子元器件的冷卻等。有限寬度臺(tái)階在幾何上是前臺(tái)階和后臺(tái)階組合，繞流特性卻不是兩種臺(tái)階繞流的簡(jiǎn)單迭加。有限寬度臺(tái)階繞流的非定常特性和再附點(diǎn)位置等都有自己的規(guī)律。本文

10、對(duì)窄寬度二維臺(tái)階繞流的實(shí)驗(yàn)表明，剪切層時(shí)均再附點(diǎn)的位置出現(xiàn)在x/H=9.75，臺(tái)階前緣強(qiáng)烈的速度梯度導(dǎo)致臺(tái)階上方出現(xiàn)最大速度脈動(dòng)。進(jìn)一步的壁面壓力脈動(dòng)連續(xù)小波變換顯示：分離剪切層流動(dòng)和壁面壓力脈動(dòng)主要受頻率為fδ/U<,0>=0.03的大尺度旋渦以及頻率為fδ/U<,0>=0.007分離泡的低頻振蕩運(yùn)動(dòng)控制；分離泡以x/H=4.75為中心位置向上游及下游反復(fù)擴(kuò)張和收縮；與此相對(duì)應(yīng)，再附點(diǎn)位置的回流間歇因子也以分離泡振蕩的頻率呈周期性的變