剪切湍流时空相关函数模型的PIV实验研究

发布时间：2017-06-02 00:10

  本文关键词：剪切湍流时空相关函数模型的PIV实验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：相关函数是湍流研究中基本的统计工具,是湍流统计理论和湍流模型中必不可少的组成部分,具有重要的理论价值和实际的应用意义。这其中时空相关函数包含了湍涡运动完整的时间和空间信息,但其复杂性使得有关研究并不多,而且难以通过实验获得完整的数据。但对湍流的分析经常要在空间和时间维度间转换,使得研究者不得不面对两者间的变化问题。经典的方法是Taylor冻结假设,通过一维线性关系联接起时间和空间维度。Taylor假设过于简单的线性关系虽然使得其应用很便捷,但是不能准确的代表湍流中真实的时空尺度转化,也没有反映出湍流的全部时空运动特征。Taylor假设的有效性也需要很多前提条件,使得其只能在部分流动中成立,而在更普遍的湍流环境中强行使用只会带来明显的误差。针对此问题一种新的时空相关函数模型——椭圆近似假设被提出。假设将时空相关函数由一阶Taylor级数展开扩展到二阶精度上,并结合Kraichnan的随机扫掠假设,引入新的扫掠速度参数使模型能够考虑到湍涡运动在流场中的变形衰减对时空相关函数的影响。椭圆近似假设提出后已经得到了一些实验和数值仿真的验证,但是数据大都来自于简单的均匀湍流或是接近各向同性的热对流。本文的工作是首次在真实的各向异性平板湍流边界层中实验验证假设,扩展假设的应用范围。然后在波形壁面湍流边界层中探索假设的局限性,最后通过研究模型中的关键参数来加强理解假设本身。验证和扩展研究结合典型湍流边界层相干结构的研究,尤其是相干结构的迁移、变形和衰减等对相关函数有贡献的核心问题。研究工作所需数据分别来自层析PIV测量的平板湍流边界层三维全分量速度场和二维PIV测量的波形壁面湍流边界层平面速度场。平板湍流边界层的分析表明弓形涡、弧形涡和发卡涡等作为流动的主导结构,对周围流体有着重要的诱导作用,使流场中产生相关性很强的流向大尺度条带,同时受到诱导的流体也改变了结构周围的环境,两者的相互作用参与了湍流的动力学发展,从而对相关函数产生影响。流向脉动速度的二阶时空相关函数的分布符合椭圆近似假设的预测,表明椭圆近似在剪切壁湍流中同样生效。相关等值线拥有椭圆近似假设的两个特征——所有椭圆等值线拥有同样的倾斜角度和长短轴比值。相较于Taylor假设,椭圆近似假设不仅反映出结构的迁移,而且通过加入扫掠速度这个新的参数,捕捉到了流动中的解相关过程,解决了相关函数等值线“不封闭”的问题,比Taylor假设更加适合于描述剪切湍流运动的时空相关特征。波形壁面的湍流边界层流场拥有独特的流动属性:周期性、逆压梯度区和剪切层。波形壁面湍流得到的时空相关函数也与平板的情况不同,在近壁区不是椭圆形等值线,这种偏离在远离波形壁面后消失,到了边界层外区又回归到椭圆形等值线。导致假设失效的原因是近壁区的逆压梯度在起破坏作用,说明椭圆近似假设有局限性,诸如压力脉动等与速度脉动有本质区别的物理量并不适用于椭圆近似假设。假设中的关键参数——迁移速度和扫掠速度,分别代表了相干结构在流场中的迁移运动和变形衰减。对迁移速度首先采用传统的Fourier分析,结果表明了迁移速度对流向波数的依赖没有展向波数明显,但是这种展向尺度依赖性只表现在近壁区。然后使用更加符合湍流物理性质的POD方法,其是自适应的能量最优化分解技术,其尺度划分是按照各模态的能量贡献来进行的。通过POD尺度揭示的流动过程与Elsinga提出的边界层多尺度结构模型一致。POD分析的迁移速度和尺度的关系与Fourier分析结果相反,大尺度流主要由大尺度相干结构和其诱导的条带结构组成,两者作为整体的迁移速度小于小尺度流场中的相干结构。扫掠速度衡量了相干结构受到大尺度含能涡的诱导和平均剪切场的作用而产生的变形衰减。剪切湍流中的扫掠速度主要由流动的Taylor微尺度、平均剪切及脉动程度决定。随着POD重构尺度的增多,Taylor微尺度会减小,平均剪切场作用产生的变形减弱,这种减弱超过了流场脉动增加引起的变形的增加,最终结果是结构变形减小,从而扫掠速度也减小了。扫掠速度的变化暗示着解相关过程的改变,最终影响到湍流时空相关函数的衰减。
【关键词】：湍流边界层 粒子图像测速 相干结构 时空相关函数 椭圆近似假设
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O357.5
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-14
• 字母注释表14-17
• 第一章 绪论17-39
• 1.1 研究背景17-28
• 1.2 研究现状28-37
• 1.3 本文工作37-39
• 第二章 实验与测量技术39-57
• 2.1 平面PIV（planar PIV）39-48
• 2.2 层析PIV（tomographic PIV）48-56
• 2.3 本章小结56-57
• 第三章 平板湍流边界层中的时空相关函数57-85
• 3.1 平板湍流边界层的层析PIV实验57-59
• 3.2 流动统计量和相干结构59-74
• 3.3 流场中的时空相关函数74-83
• 3.4 本章小结83-85
• 第四章 波形壁面湍流中的时空相关函数85-101
• 4.1 波形壁面湍流边界层的平面PIV实验85-87
• 4.2 流场统计量和相干结构87-95
• 4.3 流场中的时空相关函数95-99
• 4.4 本章小结99-101
• 第五章 椭圆近似假设的参数研究101-117
• 5.1 相干结构的迁移运动101-102
• 5.2 迁移速度和扫掠速度的尺度依赖性102-115
• 5.3 本章小结115-117
• 第六章 结论与展望117-120
• 6.1 结论117-118
• 6.2 创新点118-119
• 6.3 展望119-120
• 参考文献120-130
• 发表论文和参加科研情况说明130-131
• 致谢131-132

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张东明,罗纪生,周恒;湍流边界层近壁区相干结构的动力学模型[J];中国科学G辑:物理学、力学、天文学;2003年01期

2 张东明,罗纪生,周恒;湍流边界层外区扰动激发近壁区相干结构的一种机制[J];应用数学和力学;2005年04期

3 陆昌根;戚琴娟;;壁面局部扰动激发湍流边界层近壁区相干结构的一种理论模式探讨[J];自然科学进展;2009年03期

4 沈露予;陆昌根;赵玲慧;;近壁湍流边界层相干结构形成的动力学分析[J];南京信息工程大学学报(自然科学版);2012年04期

5 吴国钏;湍流边界层分离的预计[J];力学学报;1979年03期

6 俎铁林;猝发与湍流边界层速度分布[J];气象;1984年03期

7 陈允文;跨音速湍流边界层的计算方法[J];工程热物理学报;1984年04期

8 许汝林;海-气交界面的湍流边界层[J];厦门大学学报(自然科学版);1984年04期

9 吴国钏,赖杰;轴对称湍流边界层接近分离时的特性[J];力学学报;1985年01期

10 温功碧,何筱毅,蒋俊,何青,吴望一;计算三维湍流边界层的积分反方法[J];空气动力学学报;1990年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 郝刚立;姜楠;;周期性壁面吹吸扰动在湍流边界层内的演化[A];现代数学和力学(MMM-XI)：第十一届全国现代数学和力学学术会议论文集[C];2009年

2 王昕;姜楠;舒玮;;周期性人工扰动在湍流边界层沿法向的衰减[A];自然、工业与流动——第六届全国流体力学学术会议论文集[C];2001年

3 杨绍琼;田海平;李一凡;姜楠;;基于猝发事件的湍流边界层相干结构检测[A];第十三届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2012年

4 姜楠;;湍流边界层多尺度相干结构实验研究的最新进展[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（上）[C];2007年

5 赵萌;毛军;;高速列车湍流边界层特性分析[A];北京力学会第十六届学术年会论文集[C];2010年

6 姜楠;;湍流边界层相干结构研究五十年[A];第八届全国实验流体力学学术会议论文集[C];2010年

7 陈逖;孙明波;刘卫东;;可压缩湍流边界层大涡模拟计算初始化方法研究[A];第四届高超声速科技学术会议会议日程及摘要集[C];2011年

8 姜楠;杨绍琼;唐湛棋;管新蕾;;湍流边界层相干结构空间反对称形态[A];第十三届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2012年

9 谢华;姚惠之;王小庆;;湍流边界层脉动速度及脉动压力相关联的子波分析[A];第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会论文集[C];2009年

10 毕志献;张占峰;;圆锥高超声速湍流边界层非对称转捩试验研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（上）[C];2007年

中国博士学位论文全文数据库 前9条

1 王维;剪切湍流时空相关函数模型的PIV实验研究[D];天津大学;2015年

2 杨绍琼;壁湍流相干结构及其沟槽被动控制的PIV实验研究[D];天津大学;2015年

3 刘建华;人造发卡涡对湍流边界层相干结构的影响[D];天津大学;2009年

4 汪利;可压缩湍流边界层统计特性的直接数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2011年

5 常跃峰;湍流边界层沟槽壁面减阻机理的实验研究[D];天津大学;2009年

6 王瑞新;湍流边界层多尺度相干结构的热线测量研究[D];天津大学;2013年

7 高小明;湍流边界层控制对流动及换热影响研究[D];天津大学;2014年

8 褚佑彪;激波干扰及超声速湍流边界层的数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2013年

9 韦安阳;湍流边界层的直接数值模拟研究[D];浙江大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 郝刚立;周期性人工扰动在湍流边界层衰减和演化的实验研究[D];天津大学;2008年

2 李昱澎;基于等离子激励器诱发流向涡的湍流边界层主动控制减阻[D];哈尔滨工业大学;2014年

3 薛志亮;水平槽道冷态气固两相湍流边界层中颗粒分布及颗粒尾流特性的实验研究[D];浙江大学;2016年

4 赵瑞杰;周期性吹吸扰动对湍流边界层相干结构影响的实验研究[D];天津大学;2007年

5 贾永霞;加入周期吹吸扰动的平板湍流边界层复涡黏模型实验研究[D];天津大学;2009年

6 田砚;壁面平行加热丝控制湍流边界层多尺度相干结构的实验研究[D];天津大学;2004年

7 刘建华;周期性抽吸扰动对湍流边界层多尺度相干结构影响的实验研究[D];天津大学;2005年

8 孙伟;周期性吹吸扰动对湍流边界层相干结构影响的实验研究[D];天津大学;2006年

9 杨宇;湍流边界层多尺度结构间歇性检测和控制的实验研究[D];天津大学;2004年

10 张彬;沟槽壁面湍流边界层减阻机理的实验研究[D];天津大学;2007年

  本文关键词：剪切湍流时空相关函数模型的PIV实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：413796