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平板湍流边界层中相干结构的尺度、统计量的SL标度律形式及其参数的实验研究

赵伟  
【摘要】: 由于在实际工程问题中,尤其是飞行器及船舶在行进过程中,其表面层在绝大多数情况下都是湍流边界层,因此对湍流边界层进行有效控制、减缓其发展对减阻和降噪有很大帮助。由于湍流边界层中的相干结构承载着大部分的湍流动能,而且对湍流边界层发展有非常重要的作用,因此对相干结构的特征及演化一直是湍流边界层研究的重点。 作为一种研究湍流尺度间普适规律的结论,标度律在湍流统计研究中具有非常重要的地位。标度律的研究不仅可以为模式理论提供支持,更可以从统计学的角度阐述湍流机理,为动力学模型的建立提供指导。在湍流边界层中对SL标度律及其参数进行研究,可以加深对边界层湍流的认识。 在我们的研究中,首先利用高分辨率PIV系统的测量结果对平板湍流边界层中相干结构和条带的展向尺度、倾角、剪切层倾角及涡结构发展情况进行了统计分析,分别使用传统统计方法和连续小波分析方法进行分析。本文工作对前人的实验和计算结果进行了很好的验证。 其次,利用PIV系统在平板湍流边界层的垂直于底面的流向平面内得到的空间速度分布,对速度结构函数的标度律表达(在自相似性和扩展自相似性关系下分别得到)随小波分析尺度的变化进行了分析,利用SL标度律的基本形式和假设,通过离散小波和数据拟合得到不同尺度下速度结构函数的标度律表达式。 然后,在湍流边界层中低时均剪切区域中,对能量耗散率的间歇参数β随当地时均速度场和离开壁面距离的变化进行了研究,对整个流场分别应用均匀各向同性(因为时均梯度对能量耗散率贡献很小)和轴对称湍流假设进行了统计研究,证实在这两种前提下间歇参数β基本相同,进而利用轴对称湍流假设对β随离开壁面不同高度处时均速度梯度的变化进行研究,发现β总体成随时均梯度的减小而增大的趋势。 最后,在近壁区直接利用轴对称湍流假设进行研究,发现β随高度的变化更加复杂,甚至出现大于1的情况。由于边界层的底层及缓冲层存在复杂的相干结构和自组织显现,因此β超过1也许代表一种局部有序度提高或者说熵减的过程。在我们的研究中证实了前人的结论,同时也发现了很多新的现象,我们试着给出了解释,但由于时间和条件限制,有些解释还处于假设阶段,无法验证,比如应该在自由剪切湍流中对层次相似参数进行研究以验证我们对壁面影响的假设,这只能留待以后的研究者进行了。


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