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圆柱尾迹周期性流动结构对湍流边界层影响的实验研究

张晋  
【摘要】: 绕流尾迹与边界层的相互作用是在航空工程及叶轮机械中经常遇见的问题。为了考察尾迹对边界层内多尺度相干结构的影响,在风洞中平板湍流边界层充分发展区域沿展向放置一根圆柱,用IFA300热线风速仪和单丝热线探针精细测量了圆柱下游不同位置处的流向速度信号,对用内尺度无量纲化的平均流场进行了检验。对测量到的壁湍流速度信号进行子波变换和条件平均的分析,计算了尾迹/湍流边界层作用后的分尺度能量分布及相干结构的平均波形,对比研究了不同直径的圆柱,在距壁面高度不同的情况下,对下游不同位置处壁湍流多尺度相干结构的影响。 实验发现,圆柱距壁面越近,对壁面区域的影响越大,使能量最大尺度及其之前的尺度的能量大幅增加。对于较高些的位置如y+=300处,则是离之较近的圆柱产生更强的作用。而位于一倍边界层厚度附近的圆柱对近壁区域则几乎没有影响。圆柱尾迹对下游的影响在法向具有不对称性,圆柱上侧的尾迹结构能够更多地增加相干结构的能量。而对某一固定测点而言,其受上方圆柱的影响要大于受下方圆柱的影响。尾迹对边界层近壁区域的能量分布与相干结构条件平均波形的影响沿着流向逐渐减小,但至下游40倍圆柱直径处仍然对能量有明显的增大作用,其具体的影响范围还有待进一步研究。 圆柱尾迹与边界层相互作用,改变了近壁区域多尺度相干结构的平均演化过程,也即速度的变化过程。通常使波形中正的峰值明显增大,中间压缩段加剧,整个波形也不再具有很好的反对称形状。


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