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《大连理工大学》 2017年
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后向台阶湍流分离流动中的三维低频摆动研究

向晓峰  
【摘要】:边界层的分离和再附存在于很多工程应用领域,并被广泛研究。由于剪切层的KH不稳定性,在流动分离后的初始部分剪切层内会自然卷起大尺度流动结构,这个过程与几乎不受下壁面影响的自由剪切层类似,通常被称之为剪切层模态(Shear Layer Mode)。剪切层结构沿着剪切层继续配对并融合,而其特征频率不断减小直到剪切层再附到壁面上。融合后的结构在附着区的运动过程被称之为台阶模态(Step Mode or Preferred Mode)。在分离区的中间区域有一个大尺度结构周期性的长大然后向下游脱落。大尺度结构的准周期性过程也被当作涡脱模态(Shedding Mode or Wake Mode)。部分研究认为大尺度结构的涡脱运动可能是由剪切层的整体低频摆动引起的,但没有给出任何证据来证明。本文使用实验方法对后向台阶流动中剪切层整体的非定常低频摆动与非定常涡脱运动之间的联系进行了研究。在台阶下游底板上沿流向安装了麦克风阵列测量壁面脉动压强,同时使用沿展向布置的单丝热线阵列在分离区域多个不同的位置对流场的速度进行同步测量。通过壁面脉动压强的POD分解发现,脉动压强的均方根值有超过70%是由平均再附点附近大尺度剪切层结构造成的,而低频摆动所占的比例小于15%,且主要集中在x/H≤3.0的区域。展向热线阵列测得速度的POD结果表明,剪切层内大部分区域的运动为展向长度尺度小于H的三维运动。具有大展向长度尺度的运动最开始出现在沿着剪切层的回流区分离泡2/3的位置,以及向上游流动的回流中。在回流区以及再附点位置附近的区域,压强模态对应摆动部分的时间系数与速度模态具有大展向波长的部分展现出了强烈的相关性,可以推测流场中的这两种运动机制可能来自同一个运动源,其中涡脱落运动可能是由剪切层的整体摆动直接造成的,而这些都是流场的整体不稳定性决定的。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O357.4

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