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流向狭缝周期吹吸扰动控制壁湍流相干结构的实验研究

夏振炎  
【摘要】: 在壁湍流中引入空间展向周期分布的流向狭缝周期吹吸射流,利用局部周期吹吸扰动对壁湍流相干结构进行控制。用热线风速仪对受扰前后湍流边界层的脉动速度信号进行测量,综合采用概率统计平均、付立叶变换、条件采样、子波和子波包变换等技术对壁湍流速度信号进行分析,研究吹吸扰动对壁湍流相干结构、能谱、间歇性的影响以及壁湍流中基本流场的变化规律。 提出多尺度关联的子波系数局部极值和子波系数多尺度自相关函数辨识壁湍流相干结构的方法,发现缓冲层相干结构的速度脉动较外区更剧烈,壁湍流相干结构在时空分布中呈多尺度特征;提出采用子波包提取脉动速度信号中扰动成分的方法,结果显示该方法较FFT数字滤波法更准确;运用高阶消失矩子波函数进行子波湍谱分析,可以有效减少湍谱能量泄漏,提高湍流信号谱分析的准确性。 通过子波变换与VITA条件采样法等多种检测方法的比较,发现施加吹吸扰动使得缓冲层内最大含能尺度的湍流相干结构的强度明显降低,抑制了壁湍流的猝发过程,延长了平均猝发间隔,减少了猝发的数量和强度,使相干结构的条件平均波形和子波重构脉动速度波形的幅值明显降低,说明该方法是控制壁湍流相干结构的一种有效方法。 通过湍谱分析,发现壁湍流惯性子区的波数范围与法向位置有关。随着法向位置靠近壁面,壁湍流惯性子区的波数范围向高波数区移动,能谱逐渐偏离均匀各向同性湍流的-5/3次幂。从提取的壁湍流相干结构脉动速度波形上看,缓冲层相干结构速度脉动较外区更剧烈。 通过子波谱和最大熵谱法分析吹吸扰动对湍流能谱的影响,发现施加的低频吹吸扰动改变了壁湍流各尺度湍流相干结构的能量分布,含能最大的相干结构能量损失最多,小尺度湍流结构的能量有所增加。扰动在对数层外区的影响迅速消失,湍流能谱恢复到扰动前的状态。 对加扰前后壁湍流小尺度结构的间歇性研究发现,惯性子区的标度指数比耗散区的标度指数小。缓冲层的标度指数与线性标度律偏差很大,显示出较强的奇异性,对数层及外区标度指数逐渐接近均匀各向同性湍流的状态。吹吸扰动使缓冲层内小尺度湍流结构的标度指数下降,间歇性进一步增强。


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