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开口后台阶引射及窄宽度二维台阶绕流的湍流非定常特性实验研究

柯峰  
【摘要】: 本文以开口后台阶引射及窄宽度二维台阶绕流为主要对象,用实验手段研究了近壁湍流混合层旋涡运动的非定常特性。 本文用热线风速仪和麦克风线列同步测量的方法,采集了后台阶开口引射湍流的全流场非定常信息,然后通过相关分析揭示非定常运动特征。多场同步测量和相关分析的实验研究方法便于从形似杂乱的湍流表像中提取直觉不易发现的内在规律,因而有可能发展成为研究湍流的重要手段。作者在研究实践中解决了测量仪表的线列布置和同步采集控制问题。在压力、速度等多场耦合分析中引用了自功率谱、相关函数、相干函数、波数—频率谱等谱分析方法,以及连续小波变换、最大重叠离散小波变换(MODWT)、基于MODWT的多分辨率分析和条件平均等处理手段,开发了相应的计算软件模块,构建了数据处理系统,为相关分析的实际应用做了基础性工作。 关于常规封闭后台阶流动研究的文献资料相当丰富,本文研究的开口后台阶引射湍流是后台阶绕流的一个分支。由于开口的存在,外界空气将通过开口进入流动区域形成引射,与封闭后台阶绕流相比,其流动机制发生了重大变化。以往开口后台阶引射流的研究偏重于引射流量的测定,以满足利用引射增加工质流量或形成冷却气膜防止高温部件过热的工程设计需求,较少涉及引射湍流的非定常本质。本文用多场同步测量和相关实验分析方法详细观测了后台阶引射湍流的非定常特征,重现了后台阶引射湍流混合层内旋涡发生和发展过程,分析了旋涡对引射流量的影响,加深了对引射湍流本质的认识。 作者按照低速风洞设计标准设计制作了后台阶引射湍流实验风洞。设计中充分考虑了多场同步测量的要求,在引射混合层区域的风洞壁面布置了传感器线列,用以采集壁面上非定常全场压力信号。实验中实现了与热线风速仪速度测量的同步控制。通过后台阶引射湍流课题的研究实践,作者经历了同步测量和相关分析的全过程,为这种湍流非定常流动实验研究方法积累了经验。 本文首先进行开口后台阶绕流非定常速度和压力场的同步测量,以无因次台阶高度H/δ(台阶几何高度与来流边界层厚度之比,它反映了流域的几何特征)作为参数,归纳了后台阶引射湍流的时均和频谱特性。文中给出了H/δ=0.67, 1.00和1.67条件下的非定常实验测量数据,以及对它们的时均和频谱分析结果。 时均速度和雷诺应力的分析表明,在台阶附近(即-1≤y/H≤0的区域),不同高度后台阶流动的时均速度分布相似,剪切层则随着台阶高度增加而增厚。由于受到下游固体壁面的影响,当台阶高度增加(从H/δ=0.67增加到H/δ=1.67)时,混合层被逐渐抬升,与壁面之间的距离逐渐增加。速度脉动的分析表明,当台阶高度较大(大于来流边界层的厚度)时,台阶的存在对流动产生强烈的干扰,混合层中大尺度旋涡显著增强,相应的壁面压力脉动也增强。 壁面压力脉动系数、壁面压力谱、速度脉动功率谱、壁面压力功率谱和壁面压力脉动波数分析表明,不管台阶的高度如何,开口后台阶引射流动都主要受控于低频fδ/U_0=0.044的大尺度旋涡结构。壁面压力脉动的相干和波数—频率谱分布表明,在大的台阶高度下,大尺度旋涡结构的弥散较弱。壁面压力谱与对应流向位置上剪切层外缘速度脉动功率谱的对比表明,随着台阶高度的增加,大尺度旋涡结构对壁面压力脉动的贡献增强。 然后,本文利用后台阶引射流动壁面压力脉动与混合层湍流速度同步测量数据的相关分析,从海量实测数据中把混合层旋涡信息分离出来,重现了旋涡发生、发展和脱落等运动过程及其非定常特征。 在台阶开口处卷吸产生的二次引射流和开口下游与壁面上方区域中二次引射流与主流掺混形成的混合层的实验观测中发现,混合层中大尺度旋涡结构以一定的频率脱落。MODWT多分辨率分析以及混合层速度场、雷诺剪切应力场和条件平均压力场的互相关分析表明,H/δ=1.67混合层中大尺度旋涡脱落频率St=0.075。从壁面压力场的多分辨率分析中发现,即使在高阶频率分量St=0.15, 0.29和2.34下,仍然可以观察到有对应的旋涡结构存在。 引射口位置上流动非定常特性的分析表明,由于受到混合层中大尺度旋涡结构的调制作用,引射口流量呈现周期性的脉动状态。当大尺度旋涡结构在x/H=15.0发展到壁面的时刻,引射流量达到瞬时最大。 此外,为了说明同步测量相关分析方法对其它非定常流动研究的有效性,本文在上述低速风洞上进行了窄宽度二维台阶绕流的实验研究。这种流动模型是从分布式系列台阶绕流中提取出来的。系列台阶绕流有广泛的工程应用,如城市街区大气污染物分布和环境质量预测,线路基板上电子元器件的冷却等。有限宽度台阶在几何上是前台阶和后台阶组合,绕流特性却不是两种台阶绕流的简单迭加。有限宽度台阶绕流的非定常特性和再附点位置等都有自己的规律。本文对窄宽度二维台阶绕流的实验表明,剪切层时均再附点的位置出现在x/H=9.75,台阶前缘强烈的速度梯度导致台阶上方出现最大速度脉动。进一步的壁面压力脉动连续小波变换显示:分离剪切层流动和壁面压力脉动主要受频率为fδ/U_0=0.03的大尺度旋涡以及频率为fδ/U_0=0.007分离泡的低频振荡运动控制;分离泡以x/H=4.75为中心位置向上游及下游反复扩张和收缩;与此相对应,再附点位置的回流间歇因子也以分离泡振荡的频率呈周期性的变化;再附区域的长度大约为1.2H。


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