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湍流边界层雷诺应力和壁面脉动压强相对大尺度结构变形率的相位滞后

王小庆  
【摘要】: 一般认为相干结构是剪切湍流中最重要的结构,对它的研究在基础应用和实际应用方面都有重大意义。和时均统计量的雷诺应力相比,小涡产生的雷诺应力在相干结构的尺度上随时间变化。本文工作就是在相干结构的尺度上研究小涡产生的雷诺应力对于大涡应变率的相位滞后特性,和壁面脉动压强与大涡应变率的相位关系。 本文实验在风洞中进行,在平板湍流边界层外层引入近壁圆柱尾涡的周期性扰动,在尾流干扰下的湍流边界层内,用高精度压强传感器结合热线/热膜测速仪进行壁脉动压强和流速的测量。采用了相位平均、小波分析和功率谱分析等方法进行数据分析。 本文首先分析了近壁圆柱尾流的流场特性。在厚湍流边界层条件下,考察间隙比值(平板和圆柱下沿的间距与圆柱直径的比值)对近壁圆柱尾涡脱落及壁脉动压强的影响。得到了尾涡无量纲频率随间隙比及雷诺数的变化情况,和前人结论稍有区别。同时,还得到了壁脉动压强的周期性成分随间隙比值的变化情况,以及在一定雷诺数和间隙比下圆柱对边界层速度的影响范围。 随后,我们适当选取圆柱位置,考察了湍流边界层相干结构尺度上的雷诺应力和壁面脉动压强相对大尺度结构变形率的相位滞后.实验证实了湍流模型中涡粘系数取复数形式的合理性,在此基础上研究了湍流边界层内各点的相干结构尺度上的雷诺应力和壁面脉动压强相对于大尺度结构变形率的相位滞后,以及在一定范围内随时间和位置的变化特征。 本文的工作为更切合实际的湍流模型的建立提供了一些实验和理论的依据,获得了一些对湍流及有关近壁圆柱绕流的新认识。为今后进一步的工作和实验研究打下基础。


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