開口后臺階引射及窄寬度二維臺階繞流的湍流非定常特性實驗研究.pdf

1、本文以開口后臺階引射及窄寬度二維臺階繞流為主要對象，用實驗手段研究了近壁湍流混合層旋渦運(yùn)動的非定常特性。 本文用熱線風(fēng)速儀和麥克風(fēng)線列同步測量的方法，采集了后臺階開口引射湍流的全流場非定常信息，然后通過相關(guān)分析揭示非定常運(yùn)動特征。多場同步測量和相關(guān)分析的實驗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。作者在研究實踐中解決了測量儀表的線列布置和同步采集控制問題。在壓力、速度等

2、多場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)分析的實際應(yīng)用做了基礎(chǔ)性工作。 關(guān)于常規(guī)封閉后臺階流動研究的文獻(xiàn)資料相當(dāng)豐富，本文研究的開口后臺階引射湍流是后臺階繞流的一個分支。由于開口的存在，外界空氣將通過開口進(jìn)入流動區(qū)域形成引射，與封閉后臺階繞

3、流相比，其流動機(jī)制發(fā)生了重大變化。以往開口后臺階引射流的研究偏重于引射流量的測定，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)計需求，較少涉及引射湍流的非定常本質(zhì)。本文用多場同步測量和相關(guān)實驗分析方法詳細(xì)觀測了后臺階引射湍流的非定常特征，重現(xiàn)了后臺階引射湍流混合層內(nèi)旋渦發(fā)生和發(fā)展過程，分析了旋渦對引射流量的影響，加深了對引射湍流本質(zhì)的認(rèn)識。 作者按照低速風(fēng)洞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制作了后臺階引射湍流實驗風(fēng)洞。設(shè)計中充分

4、考慮了多場同步測量的要求，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壓力信號。實驗中實現(xiàn)了與熱線風(fēng)速儀速度測量的同步控制。通過后臺階引射湍流課題的研究實踐，作者經(jīng)歷了同步測量和相關(guān)分析的全過程，為這種湍流非定常流動實驗研究方法積累了經(jīng)驗。 本文首先進(jìn)行開口后臺階繞流非定常速度和壓力場的同步測量，以無因次臺階高度H/δ(臺階幾何高度與來流邊界層厚度之比，它反映了流域的幾何特征)作為參數(shù)，歸納了后臺階引射湍

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

6、度較大(大于來流邊界層的厚度)時，臺階的存在對流動產(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)的壁面壓力脈動也增強(qiáng)。 壁面壓力脈動系數(shù)、壁面壓力譜、速度脈動功率譜、壁面壓力功率譜和壁面壓力脈動波數(shù)分析表明，不管臺階的高度如何，開口后臺階引射流動都主要受控于低頻fδ/U<,0>=0.044的大尺度旋渦結(jié)構(gòu)。壁面壓力脈動的相干和波數(shù)--頻率譜分布表明，在大的臺階高度下，大尺度旋渦結(jié)構(gòu)的彌散較弱。壁面壓力譜與對應(yīng)流向位置上剪切層外

7、緣速度脈動功率譜的對比表明，隨著臺階高度的增加，大尺度旋渦結(jié)構(gòu)對壁面壓力脈動的貢獻(xiàn)增強(qiáng)。 然后，本文利用后臺階引射流動壁面壓力脈動與混合層湍流速度同步測量數(shù)據(jù)的相關(guān)分析，從海量實測數(shù)據(jù)中把混合層旋渦信息分離出來，重現(xiàn)了旋渦發(fā)生、發(fā)展和脫落等運(yùn)動過程及其非定常特征。 在臺階開口處卷吸產(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驗觀測中發(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、雷諾剪切應(yīng)力場和條件平均壓力場的互相關(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應(yīng)的旋渦結(jié)構(gòu)存在。 引射口位置上流動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)展到壁面的時刻，引

9、射流量達(dá)到瞬時最大。 此外，為了說明同步測量相關(guān)分析方法對其它非定常流動研究的有效性，本文在上述低速風(fēng)洞上進(jìn)行了窄寬度二維臺階繞流的實驗研究。這種流動模型是從分布式系列臺階繞流中提取出來的。系列臺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，線路基板上電子元器件的冷卻等。有限寬度臺階在幾何上是前臺階和后臺階組合，繞流特性卻不是兩種臺階繞流的簡單迭加。有限寬度臺階繞流的非定常特性和再附點位置等都有自己的規(guī)律。本文

10、對窄寬度二維臺階繞流的實驗表明，剪切層時均再附點的位置出現(xiàn)在x/H=9.75，臺階前緣強(qiáng)烈的速度梯度導(dǎo)致臺階上方出現(xiàn)最大速度脈動。進(jìn)一步的壁面壓力脈動連續(xù)小波變換顯示：分離剪切層流動和壁面壓力脈動主要受頻率為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；與此相對應(yīng)，再附點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