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湍流边界层多尺度结构间歇性检测和控制的实验研究

杨宇  
【摘要】:为了解壁面局部加热对湍流边界层多尺度流动结构的影响,以便对壁湍流多尺度相干结构进行控制,在平板上布置一组固定展向间距的沿流向的平行加热丝,用IFA300热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率,精细测量了平板湍流边界层在加热前后各法向位置的湍流流向速度的时间序列信号。对比研究了平板湍流边界层,加热前后各法向位置湍流多尺度相干结构的能量分布、发生概率、相对强度等统计性质的变化规律,分析了壁面平行流向涡控制湍流多尺度结构最终达到减阻效果的机理。 同时计算了耗散尺度、泰勒尺度、剪切尺度和积分尺度等特征量,并给出它们沿平板湍流边界层法向位置的变化规律。用子波分析对湍流脉动速度信号进行多尺度分解,用自相关法得到不同尺度湍涡的空间长度,研究了子波分析的尺度参数a与耗散尺度、泰勒尺度、剪切尺度和积分尺度的对应关系。 在研究过程中,验证了基于湍流结构局部平均概念的速度结构函数与Harr子波变换的一致性。提出了基于子波系数的瞬时强度因子、瞬时平坦因子的概念,及检测多尺度相干结构的准则。提取了湍流边界层中多尺度相干结构的条件平均波形, 研究了多尺度相干结构猝发的动力学过程。实验发现,提取出的各尺度相干结构具有一定的相似性,它们是湍流边界层产生间歇性和奇异标度律的原因。


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