基于高频PIV的明渠湍流涡结构研究

发布时间：2019-07-17 17:49

【摘要】：明渠湍流是自然界及工程技术中广泛存在的流动形态,其中充满了不同类型和尺度的相干结构,而涡是明渠湍流相干结构的核心。对涡结构的研究需要借助高频多点测量技术,需要有可靠的识别方法,其目的则应同时关注涡的动力学作用及其与湍流统计理论之间的关系。基于连续激光器和高速CMOS相机研发了一套适用于明渠湍流测量的高频PIV系统,系统的总体精度和对复杂流动的适应能力均满足明渠湍流测量的需求。明渠恒定均匀流试验表明,PIV所测流场的精度、时间分辨率及空间分辨率均满足对外区涡结构进行研究的要求。推导了常用的基于速度梯度矩阵的二维涡识别方法,并对其中的旋转强度方法进行了改进,分别利用正、负旋转强度的条件平均值对正、负旋转强度进行归一化,消除了垂向不均匀性、涡的旋转方向以及雷诺数对涡识别结果的影响,使涡识别结果更符合流动的基本特征。对明渠湍流中横向涡的运动学参数的分析表明,顺向涡和逆向涡沿水深具有不同的分布规律。在相同水深处,顺向涡的数量多于逆向涡,平均半径和平均强度均大于逆向涡。在靠近水面的区域,水面抑制涡的生长并加速涡的破碎,水面对横向涡的影响主要表现为增加横向涡的总量,减少逆向涡占横向涡数量的比例,减小横向涡的平均半径,水面对明渠湍流的主要影响范围是水面以下0.3倍水深。明渠湍流中横向涡的演化过程可分为生长阶段和衰减阶段,且处于生长阶段和衰减阶段的横向涡的比例相等。生长阶段的横向涡的尺寸和强度均较小,但强度会随着时间不断增强,除少部分横向涡受强烈拉伸作用而变小外,大多数生长态横向涡的尺寸均随时间增大。衰减阶段的横向涡的尺寸和强度较大,但强度随时间逐渐减弱,在衰减的早期,涡的尺寸逐渐增大,而在衰减的中后期,涡的有效尺寸逐渐减小。在壁面湍流中,雷诺应力与紊动能的产生密切相关,净力(雷诺应力的梯度)代表水流脉动引起的动量输运对平均流动的影响。在明渠湍流的主流区,横向涡的诱导运动是雷诺应力的重要来源,同时,横向涡在自身诱导流场作用下的抬升运动显著地促进净力的产生。因此,横向涡对明渠湍流的平均流动具有重要影响,是明渠湍流自维持机理的重要组成部分。
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图片说明： 标准 PIV产品使用的粒子图像分析方法(Adiran, 2005; Stanislas et al, 2性能方面，若以空间分辨率、精度和动态速度范围作为衡量指标，维 PIV 系统的动态速度范围可以达到 100~200(在同一帧流场中，最流速的比值)，，测量精度介于满量程的 1%~2%，空间分辨率约为 1mterweel et al, 2013)。
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图片说明： 图 2.2由式(2.1)可知，对于给定波长的高斯光束18高斯光束特征参数示意图对于给定波长的高斯光束，束腰半径和远场发散角的乘积束腰半径和远场发散角的乘积
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV133

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本文编号：2515562