湍流边界层多尺度相干结构的热线测量研究

【摘要】：本文是采用热线测速技术与多种热线探针，对湍流边界层多尺度相干结构进行了实验测量研究。用IFA-300热线风速仪和TSI-1211T1.5，TSI-1240T1.5，TSI-1243T1.5三种不同型号的热线探针，以高于湍流最小时间尺度的分辨率，精细测量了湍流边界层不同雷诺数下、不同法向位置的瞬时流向、法向、展向速度分量的时间序列信号。 利用壁湍流对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏性系数等内尺度物理量的关系，以及壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系，测量平板湍流边界层壁面摩擦速度、壁面摩擦切应力和壁面摩擦系数,分析了用粘性内尺度单位无量纲化的平板湍流边界层平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力、偏斜因子、平坦因子等统计平均特性随雷诺数变化的规律，研究了用粘性内尺度单位无量纲化的湍流边界层平均流场参数随雷诺数变化的普适性。 基于湍流局部平均理论和方法，提出了粗粒化的局部平均速度结构函数的概念，以描述一定尺度和一定分辨率下的湍流结构的局部伸缩变形和相邻湍流结构的相对运动。证实了对湍流瞬时速度信号以反对称形式的子波函数所作的子波变换与局部平均速度结构函数的一致性。 以湍流边界层瞬时流向脉动速度子波系数的平坦因子和间歇因子作为特征量，提出了检测湍流边界层多尺度相干结构的检测准则，提取了平板湍流边界层多尺度相干结构流向、法向、展向速度分量和雷诺应力各分量的条件相位平均波形，分析了多尺度相干结构猝发的动力学、运动学发展演化过程的尺度相似性，分析了多尺度相干结构流向、法向、展向速度分量之间的相位关系及其对雷诺应力相位平均波形的影响，分析了多尺度相干结构流向、法向、展向速度分量和雷诺应力各分量的幅值沿湍流边界层法向的变化，用互相关分析法分析了不同尺度相干结构的脉动速度信号之间的尺度关联特性。 研究了湍流多尺度相干结构对湍流奇异标度律和间歇性的影响，用湍流局部平均的速度结构函数计算了提取多尺度相干结构前后推广的自相似标度律ESS，研究了多尺度相干结构对ESS奇异标度律和湍流间歇性的影响。