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周期性人工扰动在湍流边界层衰减和演化的实验研究

郝刚立  
【摘要】: 本文应用风洞实验和热线测速技术,对平板湍流边界层中引入的不同频率周期性人工扰动在流场空间的发展和演化进行了实验研究,研究了周期性人工扰动在平板湍流边界层中沿流向的传播和衰减过程。不同频率的周期扰动通过从壁面上一个展向窄缝产生,利用湍流边界层向下游的流动,将扰动引入湍流边界层。用IFA300热线风速仪和TSI-1243型双丝热线探头,以高于最小湍流结构时间尺度对应的采样频率,在风洞中分别对施加不同频率周期扰动前后平板湍流边界层的不同流向和法向位置的流向和法向速度分量的时间序列信号进行精细实验测量。采用周期相位平均技术,从湍流边界层瞬时流向和法向速度分量信号中提取周期扰动速度信号的周期相位平均波形。对不同频率的扰动波在湍流边界层内沿流向和法向的衰减和畸变进行了实验研究,测量了不同扰动频率的流向、法向速度分量的扰动振幅在湍流边界层内沿流向和法向的分布,应用流动稳定性理论,计算了扰动信号幅值的增长率在湍流边界层内沿流向和法向的分布,并与已有的理论、计算和实验结果进行了对比分析。 研究发现,内层的周期扰动使边界层外层产生了扰动波响应,近壁区域的周期扰动在外区引起的扰动波响应振幅远大于内区,边界层内层猝发与边界层外层流动状态之间具有感受性的联系,内层猝发的生成与边界层外层流动状况密切相关。湍流是一个稳定的状态,湍流边界层不存在整体失稳,各种频率的扰动波沿流向的幅值总体上都是衰减的,衰减趋势越来越弱。但扰动波波幅沿流向并不总是单调减小的,有些时候出现局部的波幅增长。16Hz和32Hz的扰动在距离扰动源较近的近壁区衰减较弱,在对数律区以外的区域引起的衰减相对较强,但沿流向衰减趋势逐渐减弱。与湍流边界层内湍流脉动动能固有主频最接近的扰动与湍流边界层的相互作用最强,在湍流边界层内衰减最快。将本文实验所测的扰动波振幅衰减率αi与M. Landahl (1967)的波导模型理论分析和计算结果进行的比较,从趋势上实验所测的扰动波振幅衰减率αi与理论计算结果相符。


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