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波形壁面湍流边界层复涡黏模型的PIV测量研究

于培宁  
【摘要】:本文采用目前国际上较先进的湍流实验测量技术——高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV),在波形壁面边界条件下,研究湍流边界层由于波形壁面的强制作用,湍流的各统计平均量在非平衡状态下的空间分布以及雷诺应力与平均速度变形率之间的空间相位关系,以验证空间非平衡湍流雷诺应力复涡黏性模型的适用性及合理性,并为建立更加符合流动实际的非平衡湍流复涡黏性模型提供实验依据。 利用二维TRPIV在水槽中对波形壁面的非平衡湍流边界层流场进行实验研究。实验依次在三个不同的雷诺数下进行,对每个雷诺数下的流场均以高时间分辨率进行拍摄,得到瞬时非平衡湍流边界层速度场的信息。 分析了两种雷诺数下流场中流向脉动均方根、法向脉动均方根和雷诺应力、速度变形率等物理量。发现流场中流向与法向速度云图在波形壁面近壁区沿流向均有周期性分布,在波形壁面流向一个周期内,流向脉动速度均方根、法向脉动速度均方根及雷诺应力在法向上的分布均有规律性,即在近壁区达到极大值并随着y+的增长逐渐减小。并且当雷诺数增大时,雷诺应力与流向脉动速度均方根在近壁达到峰值的法向位置均有所降低。实验还证实了在波形壁面的波谷处存在喷射事件。 使用互相关技术研究了三种雷诺数下雷诺应力分量r_(11)与速度变形率分量之间相位差11- 11的分布以及雷诺应力分量r_(12)与速度变形率分量S12之间相位差- 12的分布。发现雷诺应力分量与r_(12)与速度变形率分量S的分布具有相似性,二者均在近壁区附近出现最大值并沿法向出现分层递减分布。而雷诺应力分量r_(12)11与速度变形率分量的云图分布的相似性较弱,其中速度变形率分量在流向上出现明显的周期性分布。总体来看S1 1S11- 11与- 12在近壁区均小于180°,在外区- 11的分布较为规律,不同雷诺数下均大于180°;而- 12在外区(特别是较高雷诺数下)分布较混乱。验证了空间非平衡湍流雷诺应力复涡黏性模型的合理性,为建立更加符合流动实际的非平衡湍流复涡黏性模型提供了实验依据。


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