低速二维后向台阶流动中的壁面压强脉动

发布时间：2021-11-03 17:11

　　为了能排除三维结构对涡脱和剪切层旋涡的影响,使用实验方法研究了一个小展高比（AR=0.125）的后向台阶流动.该实验台类似纯二维的Hele-Shaw Cell.流动被局限在两个平行且距离为5 mm的有机玻璃板之间.台阶高度H为40 mm,扩张比2∶3.在台阶下游中央沿流动方向安装16个麦克风组成的传感器阵列采集壁面脉动压强.来流速度U₀在9～26 m/s之间连续可调.通过计算脉动压强分布、频谱,不同位置的相关性和相干性系数,发现并分析流动存在一个临界Reynolds数.流场在临界Reynolds数前后存在明显不同的流动特征.实验结果表明在低Reynolds数下依然存在剪切层的低频摆动;当Reynolds数大于临界Reynolds数时,分离后流动由涡结构传播的特性主导. 

【文章来源】：气体物理. 2020,5(05)

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

实验装置示意图

二维后台阶流动能谱展现出普通的后台阶流动基本的规律. 第一, 低Reynolds数下贴附点较长, 随Reynolds数的增加而快速减小; 第二, 高Reynolds数条件下, 剪切层特征频率为fH/U0≈0.2. 该频率随流动向下游发展而逐步降低至fH/U0≈0.1. 另外, 我们没有在二维后台阶流动中观察到低频摆动的证据.2.3 脉动压强的自相关与互相关系数

在 Re>41 798 的情况下壁面压强系数从x/H=2位置开始快速增大, 并在大约x/H=4的位置达到峰值. 这里因为流动在台阶边缘发生分离以后, 剪切层内旋涡受回流区低压的影响向壁面弯曲直至贴附在壁面上,大尺度结构对壁面压强的影响也越来越大. 随着Reynolds数增加, 脉动压强的幅值增大, 这与大尺度涡结构与壁面相互作用产生的亚周期性变化的频率改变有关. 后向台阶流动中平均再附点一般在脉动压强系数最大值位置下游0.5H～H[6]处, 所以本文中后向台阶流动的再附长度x/H=4.5～5.5. 以往实验中根据壁面脉动压强系数的峰值推测的平均再附点大约出现在x/H=4～6的位置[1], 与目前的结果大致符合. 随着流动继续发展, 脉动压强系数逐渐减小, 表明大尺度结构在再附区域下游随着流动发展持续衰减.在来流速度较低的Re≤41 798, 在x/H=1～4的区间脉动压强系数很小, 接近于0, 并随着x/H的增大逐渐增大, 在大约x/H=7的位置达到最大值. 随着来流速度继续增加, 脉动压强系数峰值出现的位置变成大约x/H=4, 可见在本次实验中, 不同来流速度范围的平均再附点不同. 猜测这两种再附长度对应的来流速度存在某个临界, 大于或小于这一速度的后向台阶流动有不一样的流动特征, 导致两种不同的再附长度. 有研究曾经在三维后向台阶运动中发现存在转捩Reynolds数, 在转捩前的再附长度随Reynolds数增大而增大, 转捩后相反[15]. 假设二维流动中也存在这样的来流Reynolds数分界点, 在速度达到分界点前后存在不同的流动现象. 在本次实验中来流Reynolds数分界点约为Re=49 287.

【参考文献】：
期刊论文
[1]后台阶流动及其控制述评[J]. 胡如云,王亮,符松.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(12)

硕士论文
[1]后向台阶湍流分离流动中的三维低频摆动研究[D]. 向晓峰.大连理工大学 2017



本文编号：3474049