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有限长平板分离再附流动非定常特性的PIV实验研究

张青山  
【摘要】:有限长平板分离再附流动常见于动力机械、航空、化工和建筑等工程应用领域,涉及流动分离和再附、分离泡振荡、旋涡与结构干涉等复杂流动现象,与流致振动及结构稳定性、流动噪声、传热传质等物理现象紧密耦合。因此,对其开展系统的基础实验研究具有重要的理论指导意义和工程应用价值。本文选择有限长平板分离再附流动非定常特性作为主要研究内容,综合采用激光粒子图像速度场测试技术和壁面脉动压力场测试技术,对平板分离再附流动进行了系统的实验测量。针对实验测量获取的海量数据,采用先进的模态分解分析方法(本征正交分解、动力学模态分解)进行数据分析和处理,以揭示平板分离再附流动中复杂旋涡结构的发生发展过程以及平板弦厚比(L/D=3,6和9)对分离再附流动非定常特性的复杂影响。为从海量实验数据中精确获取旋涡结构的时空演变特征,本文首先发展了适用于湍流相干结构分析的动力学模态分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)方法,建立了一套完整的模态分析方法,并编制了分析程序。论文对动力学模态分解方法DMD和本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)方法进行了系统的对比考核。相关考核主要采用数字合成图像和单/双圆柱分离再附流动实验两种方式,从模态特征、模态系数、高阶谐振识别、多尺度旋涡结构的识别以及收敛性等方面对比说明了两种算法的各自的特性及其适用性。为揭示平板分离再附流动中的大尺度旋涡结构输运特征及其对全场非定常特性的影响,在低雷诺数平板分离再附流动(ReD=1,000)的低速水槽实验中,采用高时间分辨激光粒子图像速度场(TR-PIV)测试技术对三种弦厚比(L/D=3,6和9)下的平板分离再附流动速度场进行了长时间测量。将动力学模态分解(DMD)运用到平板分离再附流动速度场的分析中,获得了平板上方大尺度旋涡结构和平板尾缘内的卡门涡街等特征模态。实验结果分析表明:(1)L/D=3时,从平板前缘分离的剪切层与平板尾迹流动耦合在一起,此刻平板上方的流动主要受到尾迹内大尺度旋涡结构干涉作用的影响;(2)L/D=9时,从平板前缘分离的剪切层总是再附到平板上方,由于来自尾迹内旋涡结构的影响减弱,这时平板上方的流动主要受到“冲击剪切层的不稳定性”所主导;(3)L/D=6时,平板上方分离流动同时受到这两种机制的共同作用。采用DMD模态系数的时变周期性特征作为条件信息,对流场进行了相位平均分析后所得到的旋涡强度云图清晰地展示了大尺度旋涡结构在向下游输运中增长或衰减的过程,及其与下游流动相互干涉的过程。为揭示平板分离再附流动中大尺度旋涡结构的时空演变过程与平板脉动压力场之间的耦合关系,在低速风洞模型实验(ReD=15,800)中建立了瞬态速度场和脉动压力场的联合测试系统,获得了三种弦厚比(L/D=3,6和9)下的平板分离再附流动每个脉动速度场时刻所对应的平板壁面脉动压力场信息。将本征正交分解方法(POD)应用到平板上方速度场以及壁面脉动压力场分析中,通过低阶特征模态的重构过滤掉流场中各种小尺度旋涡结构及背景噪音,以获取主导流场非定常特性的大尺度旋涡结构(平板上方)和卡门涡街(平板尾迹区);对同步获取的PIV速度场和壁面脉动压力场信息所进行的联合POD分解分析,获取了三种弦厚比下平板分离再附流动中大尺度旋涡结构和卡门涡街与壁面脉动压力场之间的紧密关系。为探索自由来流中的旋涡结构(卡门涡街)对平板分离再附流动流动特性的影响,在低速水槽实验中对卡门涡街(上游布置圆柱产生)干扰下的有限长平板分离再附流动进行了PIV速度场测量。实验结果发现,平板前缘的分离剪切层被抑制在近平板前缘很小的范围内;涡街中的大尺度旋涡结构被平板前缘“劈开”,并形成两个旋转方向相同的旋涡结构;三种弦厚比下的平板分离再附流动都被前缘“劈开”形成的旋涡结构主导,且总体特征相似。


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1 张青山;有限长平板分离再附流动非定常特性的PIV实验研究[D];上海交通大学;2015年
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