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低速条件下沟槽壁面湍流边界层减阻机理的实验研究

赵青  
【摘要】: 本文应用热线测速技术,在零压梯度下,对低速风洞中不同来流速度条件下沟槽板壁面湍流边界层湍流多尺度相干结构及减阻机理进行了实验研究。运用IFA300热线风速仪和平行双丝边界层热线探针,以高于对应最小湍流时间尺度(Kolmogorov耗散时间尺度)的分辨率精细测量了沟槽板槽上、棱上及光滑平板壁面湍流边界层,采集了在不同雷诺数条件下不同法向位置上瞬时流向速度的时间序列信号。根据壁湍流对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏性系数等内尺度物理量的关系以及壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系,通过非线性迭代拟合出摩擦速度u*,用平均速度剖面法测量壁湍流的壁面摩擦阻力和壁面摩擦系数,作为沟槽壁面湍流边界层减阻机理研究的实验依据之一。 运用湍流多尺度相干结构的分析方法,以流向速度分量信号的多尺度子波系数作为特征量检测湍流边界层多尺度相干结构,运用条件采样法和相位平均技术,提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠过程中沟槽板槽上、棱上以及光滑平板上湍流边界层中的多尺度相干结构流向速度分量条件相位平均波形、流向速度的法向梯度条件相位平均波形图,分析了湍流度流向分量以及最大能量尺度对应能量随法向位置的变化情况。 实验发现,在一定流动条件下,沟槽板壁面使近壁区喷射和扫掠过程中的流向脉动速度条件相位波形和流向速度的法向梯度条件相位波形幅值或峰值减小,产生减阻效果。沟槽板的减阻效果随着雷诺数的改变而改变,随着雷诺数的增大,沟槽板相对于光滑平板的减阻效果逐渐减弱。


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