周期性擾動對壁湍流多尺度相干結構影響的實驗研究.pdf

1、本文對風洞中平板湍流邊界層通過展向狹縫引入的不同頻率的局部周期性擾動控制多尺度相干結構進行了實驗研究。采用熱線測速技術，以高于對應最小湍流時間尺度的分辨率，精細測量了施加不同頻率的周期性擾動前后平板湍流邊界層中不同流向和法向位置的瞬時流向、法向和展向速度分量的時間序列信號，研究了不同頻率的周期性擾動對平板邊界層多尺度相干結構的影響。 利用快速Fouier變換，確定了擾動影響流場的流向和法向空間范圍。通過測量基本流場，發(fā)現(xiàn)在擾動源

2、下游一定空間范圍內，摩擦系數(shù)有所減小，粘性底層增厚。擾動使雷諾應力幅值趨于零的空間范圍變大；改變了湍流邊界層原有湍動能的產生和擴散輸運機制，在一定程度上抑制了湍流脈動的產生。此外，在擾動源下游形成了兩個定常的、強度相似的、大尺度的展向渦，起到流體滾動軸承的作用，減小了壁面摩擦阻力。 采用子波系數(shù)模極大值法提取了猝發(fā)過程中，相干結構不同速度分量和雷諾應力分量的條件相位平均波形，發(fā)現(xiàn)在緩沖層和對數(shù)律層，流向和法向脈動速度分量的相位平

3、均波形的相位差恒定保持為鈍角，幾乎不隨法向位置變化，導致雷諾應力分量u'v'在湍流邊界層中恒保持為負號且具有很大幅值。而展向分量的相位平均波形比流向脈動速度分量的相位平均波形明顯存在相位滯后，且相位差隨法向位置變化，在緩沖層相位差為鈍角，隨著遠離壁面，相位差逐漸減小為零。 基于湍流多尺度結構和局部平均速度結構函數(shù)的概念，研究了施加擾動對湍流多尺度相干結構及其間歇性的影響。發(fā)現(xiàn)在緩沖層，擾動使得小尺度湍渦結構在湍流整體中的重要性相

4、對減弱；使能量最大尺度附近的大尺度湍渦結構的重要性相對增強；湍流系統(tǒng)在整體上受到與擾動尺度相當?shù)拇蟪叨韧臏u結構的制約；擾動使多尺度湍渦結構的正負交替有序性增強。擾動抑制了低速條紋結構的上拋運動和高速條紋結構的下掃運動，而且擾動頻率越大抑制得也就越強烈，使展向條紋結構更加有序化，抑制了條紋結構在展向的失穩(wěn)。 周期性擾動改變了法向或展向脈動速度與流向脈動速度的條件相位平均波形的相位差，使法向或展向脈動速度與流向脈動速度的相位差保持在