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壁脉动压强与湍流相干结构关联的子波分析

谢华  
【摘要】:本文用高精度的压力传感器结合热线/热膜测速仪在风洞和水槽中测量平板湍流边界层的速度和壁面脉动压强,用子波分析法结合能量最大判别准则确定湍流边界层相干结构的时间尺度和壁压强脉动的时间尺度之间的关系。结果表明压强脉动信号的子波能谱最大值对应的时间尺度与湍流边界层相干结构的特征尺度基本一致。由于壁压强脉动是边界层内各个区域的速度脉动的共同贡献,壁压强脉动的特性不仅反映粘性底层区的相干结构,也综合反映了对湍流生成贡献最大的缓冲区相干结构的影响。因而可以利用壁面压强脉动信号的分析结果间接反映经过边界层的相干结构的时间特征。这对于辨识壁湍流相干结构和进行湍流控制(包括表面摩擦、湍流噪声和传热传质的控制)有重要的实际意义。本文实验的动量损失厚度雷诺数Re_θ为1241 和1635。 湍流边界层中的近壁相干结构是壁剪切湍流中的主要结构,它们在湍能的产生、耗散和输运中起重要作用。传统的傅里叶变换不能辨识非平稳的相干结构信号,子波变换可以在时序信号的任意位置对信号的频率成分进行局部化分析,将信号分解成不同尺度的、局部性的含能子波结构分量,这在湍流物理上具有重要意义。本文经过分析比较选择复数Morlet 子波作为子波母函数,它能较好的反映相干结构时间尺度随时间和空间位置同时变化的特点,有较好的分辨率。 本文工作研制了一套用于热膜水探头校准的装置,并且对压力传感器和热线/热膜测速仪同步测量的技术方法进行了探索。这些工作涉及到编制热膜探头桥电压信号与流速转换的校准程序,因而发现和改正了TSI 公司热线/热膜测速仪手册中的校准公式的错误。


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