（流体力学专业论文）周期性吹吸扰动对湍流边界层相干结构影响的实验研究(1).pdf

中文摘要 本文应用热线测速技术，对风洞中平板湍流边界层壁面施加周期性吹吸扰动 进行了试验研究。 实验采用i f a 3 0 0 恒温热线风速仪和x 形二分量边界层热线探针精细测量了 平板流动边界层，在施加不同频率的局部周期性吹吸扰动前后不同法向位置的瞬 时流向、法向速度分量的时间序列信号。用子波变换对湍流脉动速度信号进行多 尺度分解，用自相关法确定了不同尺度湍流结构的时间尺度。利用子波系数的瞬 时强度因子、瞬时平坦因子和平坦因子检测平板湍流边界层中的多尺度相干结 构。运用湍流多尺度相干结构的观点，来描述湍流局部多尺度湍涡结构相对迁移 运动和局部多尺度变形的局部平均速度结构函数的平均波形，研究了多尺度相干 结构猝发时流向速度分量、法向速度分量和瞬时雷诺应力分量的动力学发展、演 化过程，并提出三者之间的相位关系。 通过平板底部表面沿展向切割一条5 毫米宽的窄缝，用扬声器从壁面对平板 湍流边界层施加不同频率的局部周期性吹吸扰动，通过改变平板湍流边界层中多 尺度相干结构的发生概率、强度、能量分布、条件相位平均波形、间歇性等统计 特征，对平板湍流边界层的不同尺度流动结构进行干扰和控制。研究不同频率的 周期性扰动对平板边界层中的多尺度相干结构的影响。 关键词：湍流边界层，多尺度相干结构，局部平均速度结构函数，子波变换，周 期性吹吸扰动 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h et e c h n i q u eo fc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n e m o m e t r y , t o g e t h e rw i t h d o u b l e h o t - w i r e s e n s o rp r o b e ，i su s e dt oc a r r yo u te x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h et u r b u l e n t b o u n d a r yl a y e r , w h i c hi sc o n t r o l l e db yp e r i o d i cb l o w - s u c t i o nd i s t u r b a n c ei nt h el o w t u r b u l e n tl e v e lw i n dc h a n n e l i nt h ee x p e r i m e n t ，t i m es e q u e n c eo fl o n g i t u d i n a l v e l o c i t yc o m p o n e ma n dn o r m a lv e l o c i t yc o m p o n e n tw i t h i na n dw i t h o u td i f f e r e n t p e r i o d i cb l o w - s u c t i o nd i s t u r b a n c e ，a l o n gd i f f e r e n tn o r m a lp o s i t i o n si naf i a t - p l a t e t u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e rh a sb e e nf i n e l ym e a s u r e db yi f a 3 0 0c o n s t a n tt e m p e r a t u r e a n e m o m e t e rw i t l lr e s o l u t i o nh i g h e rt h a nk o l m o g o r o vs c a l e t h es c a l e so fm u l t i s c a l e e d d ys t r u c t u r e sa r ed e t e r m i n e db ys e l f - c o r r e l a t i o nf u n c t i o n i ti sr e p r e s e n t e dt h a tt h e c o h e r e n ts t r u c t u r e sa n di n t e r m i t t e n c ya r ei d e n t i f i e db ym u l t i - s c a l ef l a t n e s sf a c t o r b a s e do nl o c a l l ya v e r a g e dv e l o c i t ys t r u c t u r ef u n c t i o n s p h a s e d a v e r a g ew a v e f o r m sf o r l o n g i t u d i n a la n dn o r m a lf l u c t u a t i o nv e l o c i t y , a sw e l la sr e y n o l d ss t r e s so fm u l t i s c a l e c o h e r e n te d d ys t r u c t u r e si nt u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e ra l ee x t r a c t e db yt h i sc o n d i t i o n a l s a m p l i n gt e c h n i q u e t h ed y n a m i cc o u r s eo fm u l t i s c a l ec o h e r e n te d d ys t r u c t u r e s b u r s t i n gi ss t u d i e d ap e r i o d i c b l o w i n g s u c t i o nd i s t u r b a n c ef o r c i n g ，i s s u e df r o m a5 m mt h i n l a t i t u d i n a ls l o to ft h ef l a t ，i si n t r o d u c e dt oa l t e rm u l t i - s c a l ei n g r e d i e n t so fc o h e r e n t e d d ys t r u c t u r ea n dt h e i re n e r g yd i s t r i b u t i o ni nt u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e r , w h a ti sm o r e ， t or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fp e r i o d i cb l o w i n g s u c t i o nd i s t u r b a n c ef o r c i n go nt h e m u l t i - s c a l ec o h e r e n ts t r u c t u r e si nf l a tb o u n d a r yl a y e r i ti sf o u n dt h a tw i t h i np e r i o d i c s u c t i o nd i s t u r b a n c ef o r c i n g ，b o t ht h ei n t e n s i t ya n de n e r g yo fc o h e r e n ts t r u c t u r e s i n c r e a s e ，m o r e o v e rc o h e r e n ts t r u c t u r e sa te a c hs c a l e sf i r ed e t e c t e d , i nv i e wo ft h e c h a n g e so fc o n d i t i o n a lp h a s e a v e r a g e dw a v e f o r m sf o rl o n g i t u d i n a l a n dn o r m a l f l u c t u a t i o nv e l o c i t yo f m u l t i - s c a l ec o h e r e n te d d ys t r u c t u r e s k e yw o r d s ：t u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e r , m u l t i s c a l ec o h e r e n te d d ys t r u c t u r e ，l o c a l l y a v e r a g e ds t r u c t u r ef u n c t i o n , w a v e l e tt r a n s f o r m ，p e r i o d i cb l o w - s u c t i o n d i s t u r b a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 翻、弗 f 签字日期：一 年月w 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：勘、每 签字日期：0 一年月加日 导师签名 签字日期：撕一己月如 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 湍流研究概述 湍流指粘性流体在高雷诺数条件下由于流动失稳而引起的极端混乱的流动 状态。它是自然界和工程中广泛存在的流体流动现象，同时也是自然科学和工程 技术中亟待解决的一个难题，工程技术中的大量问题与湍流问题密切相关。 湍流作为大自然的一种基本现象，其本身也是物理学领域尚未取得重大突破 性进展的少数几个基础性研究课题之一，湍流的最基本性质是随机性与有序性的 统一，是无序与有序并存的极端复杂的多尺度系统。早期，人们认为湍流是流体 质点的完全随机运动，为了避免湍流运动随机性带来研究上的困难，建立了以求 解湍流系综平均运动特征量为主要目的的湍流理论。雷诺( 1 8 9 5 ) 将湍流运动分 解为系综平均量和脉动量两个部分，但是从n s 运动方程出发的雷诺平均方程产 生的雷诺应力项导致了雷诺平均方程的不封闭性。为了解决雷诺平均方程的不封 闭性问题，需要依靠理论与经验的结合，对雷诺应力项引进一系列模型假设，使 雷诺平均方程封闭，建立了一组描写湍流平均量的封闭方程组的理论计算方法。 随着流体力学实验技术发展，人们能够对湍流的脉动特性进行比较细致的研 究，从而深入研究湍流的发生、发展和演化过程。通过大量的实验，在湍流边界 层中相继发现了大尺度运动。这种大尺度运动的强度、尺度和结构形态对一定类 型的流动具有普遍性和可重复性，因而被称为相干结构( 亦称拟序结构) 。相干 结构的发现是湍流研究中的一次重大突破，使湍流研究进入了一个新阶段。现在 相干结构已经被公认为是的湍流中最重要的结构。它对湍流的维持、演化、和发 展起着重要的作用。湍流相干结构的理论和实验研究，促进了对湍流本质的认识。 现在人们对湍流的认识有了很大的提高，尤其是计算能力和实验技术的不断 发展，使得湍流的研究更加细致、深入，湍流研究进入了“湍流是有结构、多层 次、多尺度的运动”新阶段。实验研究发现，湍流实际是由不同尺度的涡结构 的运动迭加在一起形成的。在每一个尺度下还存在着不同层次的结构，不同层次 的结构的作用也是强弱不同的，其中起决定作用的最强结构是相干结构“。 近年来人们已经发现在湍流流动中不仅存在有序的大尺度结构，而且存在普 适的有序的小尺度结构。即使在均匀各向同性湍流的小尺度结构中，也存在着相 干结构”删。gr u i zc h a v a r r i a f t o s c h i t 5 e e r c a m u s s i “1 ，c i g u e lo n o r a t o 脚 在槽道湍流和边界层湍流的数值实验和物理实验中发现，槽道湍流近壁区和平板 湍流边界层中也存在着多尺度结构，不同尺度相干结构都具有很强的间歇性。 第一章绪论 1 2 壁湍流相干结构研究概述 湍流边界层是工程技术中典型的湍流流动形态之一，工程技术中大量的湍流 问题与湍流边界层密切相关，如水轮机、汽轮机叶片表面附近的流动，航空器固 壁表面附近的流动等。相对于层流边界层，湍流边界层可以使壁面摩擦阻力大幅 度增加，壁面烧蚀严重，能耗增大，壁面振颤加剧，机械效率下降，从而对系统 和结构物的安全可靠性构成严重威胁。因此，从机理上分析湍流边界层中流动结 构及其形成原因，进而找出控制湍流边界层的有效方法成为湍流研究重要课题。 1 2 1 用子波分析检测壁湍流相干结构 子波分析是近几年新发展起来的一种数学方法，通过信号与一个被称为子波 的解析函数进行卷积，将信号在时域与频域空间同时进行分解。姜楠等( 1 9 9 7 ) 。1 提出了用子波分析的能量最大准则检测壁湍流相干结构猝发事件的方法。 设一维信号s ( t ) 在子波函数下的子波分析定义为： 睨( 口，6 ) = 卜( f ) 瓦( f ) 出 ( 卜2 1 ) 其中子波函数族阡么( f ) 是由子波的母波函数w ( t ) 经过平移( 参数b ) 和伸缩变换 ( 参数a ) 而来的 ( f ) ： 形( 生生)( 1 2 2 ) v 口 a “子波”在它的名称中就反映了它的性质：第一，它是局部的“小”波， 也就是相对与傅里叶分析中在时域无限延展三角函数来说，它们是定义在时域的 有限范围或近似有限范围的。第二，它是波，具有正负交替的波动性。对与湍流 中的涡，它的作用范围是有限的。而涡的波动可以从l u m l e y 所描述的涡的速度 信号的自相关函数的特性中反映出来即：随着延迟时间的增长在其自相关函数趋 于零的同时上下波动，具有正的极大值和负的极小值。 子波分析可以看成是数学显微镜，其焦点位置在b ，放大倍数为a ，其光学性 质取决于子波母函数w ( t ) 的选择。根据子波系数w 。( 县6 ) ，信号的能量可以按照 尺度进行分解，各尺度信号占有的动能的总和等于信号的总动能。 强删zd t = 了掣砌( 1 - 2 3 ) 二；口 其中 风口) 2 表。6 ) 1 2 踟( 1 - 2 - 4 ) 第一章绪论 对壁湍流速度信号u ( 幻利用定义( 1 - 2 1 ) 进行子波分析，可以得到其子波 系数w 。向，根据( 1 - 2 4 ) 可得到壁湍流脉动速度动能e ( a ) 随尺度参数a 的分 布，其中存在着一个能量最大尺度a ，该尺度对应的湍流结构占有最多的湍流脉 动动能。因此，可以按能量最大准则确定壁湍流相干结构对应的时间尺度。 1 2 2 从结构函数到局部平均结构函数 在早期的湍流研究中，湍流被看作是一种随机的现象，认为湍流就是流体混 乱的流动状态，描述流体运动的物理量在时间和空间上发生具有统计意义的不规 则涨落，湍流的基本特征就是流体运动具有统计意义的随机性，可以用统计平均 的方法研究湍流运动的统计特征。k o l m o g o r o v “”根据统计物理中的随机场理论， 对充分发展( 雷诺数趋于无穷大) 的均匀各向同性湍流流体质点的相对运动进行 了分析，提出了描述一定空间距离，内流体质点相对运动速度的结构函数的概念， 研究其各阶统计矩随尺度，的变化规律： o c l “一r ，( 三( 1 3 1 ) 昆( ，) = u ( x + d 一“( 功( 卜3 2 ) ( 卜3 2 ) 式是沿流向空间距离为，的空间两点x 和x + ，的流向速度分量“和 “0 + d 的相对增量，f ( 力为标度指数，n 为湍流的耗散尺度，l 为湍流的积分尺 度， ( ) 代表系综平均。 姜楠等1 提出了基于湍流局部平均概念的速度结构函数代替( 卜3 2 ) 式表示 的基于流体质点概念的经典速度结构函数： 万“( f ，b ) = “( x ) ，刮【6 ，6 + ，l 一”( x ) ，。【6 一，。6 1 ( 1 3 - 3 ) “( x ) 表示在中心分别为b 一去和b + 妻，尺度为l 的两个相邻湍流结构中流体相对运 zz 动速度的局部平均，为湍流结构的空间尺度，b 为两个相邻湍流结构的接触点 的空间位置。 ( 卜3 3 ) 式的物理意义是在流向空间范围x e 【6 一，6 】内热线探针测量到的流 体的平均速度与在流向空间范围x 6 ，b + 力内热线探针测量到的流体的平均速度 之差。如果设想在流向空间范围x e 【6 1 ，b + ，】内有一个空间尺度为2 l 的湍流结构 流经热线探针所在位置，则( 1 _ 3 3 ) 式表示热线探针测量到的其空间尺度为，的 前一半结构x e p f ，与空间尺度l 为的后一半结构z e m b + 力的局部平均相对迁 移速度，即在该尺度范围内的流向速度差别引起的结构流向拉伸变形。( 卜3 - 3 ) 式表明，在雷诺数有限的真实条件下，流体粘性作用不可忽略，湍流中存在不同 尺度、不同层次的结构，湍流中流体质点的运动并不是完全随机的，湍流中不同 第一章绪论 尺度的流动结构是湍流运动的主体，湍流中流体的运动受所属流动结构的制约， 需要考虑湍流结构的尺度效应，用基于湍流局部结构平均概念的结构函数来研究 一定尺度下湍流结构的相对运动速度的统计规律，而不是完全随机的流体质点的 相对运动速度的统计规律，用局部平均速度结构函数或者子波变换的子波系数代 替经典速度结构函数。直径为，的相邻两个湍流结构粗粒化的速度结构函数函u ) 应该代表该尺度下两个相邻湍流结构的相对运动速度，而不是流向空间距离为， 的两个流体质点的相对运动速度。因此，应该对速度结构函数( 卜3 1 ) 式中的速 度分量“o + ，) 和“0 。分别在尺度为，的结构内先进行局部平均，得到这两个相邻 的尺度为，的结构的平均相对迁移速度。据此，p 阶结构函数应该定义为： cl 国( f ，6 m ，6 一l 丽叫m 厂丽州一9 ，6 ( 1 3 4 ) 其中( ) 代表对位置b 取系综平均。 1 3 湍流的间歇性和多尺度相千结构 相干结构不仅存在于大尺度中，也存在于小尺度中“4 。湍流中的流体运动不 是完全无序的随机运动，湍流中存在着不同尺度的流动结构，湍流中不同尺度的 流动结构是湍流运动的主体，湍流中流体质点的运动受所属流动结构的制约。由 于湍流中不同尺度流动结构的存在，产生了湍流的间歇性。利用湍流多尺度相干 结构的识别方法，分析湍流多尺度相干结构对湍流间歇性的影响，对不同壁面距 离、不同尺度下子波系数的概率密度函数进行分析。 根据子波系数可以引入一种间歇性的量化指标“”瞬时强度因子： ，( 口，x ) = ( 1 - 3 5 ) 表示速度场每个尺度的局部行为的强度，其中式中w ( r ，x ) 是不同距离不同尺 度下的子波系数，ij 表示模， 。表示系综平均。 第二个描述间歇性的量化指标就是子波系数的平坦因子： ，c a ，2j 黯 1 3 6 ： 利用子波变换提取单个湍流相干结构的方法将自j 歇性和多尺度相干结构联 系起来。为了在所有的尺度中系统地选择事件，采取选择门限值的方法：在每一 个尺度下使平坦因子等于3 的方法来选择门限值o 这种方法可以简单地概括为： 首先在每个子波尺度上计算平坦因子，如果在某尺度上平坦因子f ( 小于3 ，则 不检测相干结构。如果它大于3 ，那么就在函数上假设一个门限值厶将瞬时 强度因子l ( a ，x ) 中大于该门限值的点的子波系数w ( a ，x ) 置为零，然后重新计算平 坦因子，如果平坦因子仍然大于3 ，那么降低门限值。重复上述过程直到使平坦 ：一x嬲 第一章绪论 因子等于( 或小于) 3 。最后对提取出的相同尺度的原始速度信号进行相位平均， 若某尺度下某位置工的瞬时强度因子l ( a ，x ) 大于该尺度的门限值厶将以x 为中 心，前后尺度各为a 的原始速度信号提取出来。对所有提取出的同一尺度的相干 结构进行相位平均，得到该尺度相干结构的相位平均波形，以此研究相干结构的 典型发展和演化过程。 这个方法选择了一些区间间断的局部信号，这些局部信号的作用是使整体信 号在每一尺度的子波系数的概率密度函数在小概率部分是强烈的非高斯正态分 布的。通常不同尺度需要的门限值不同，较小的尺度需要较低的门限值。 1 4 本文的工作 本文的思想源于人为引入的展向涡对壁湍流场中的多尺度相干结构进行控 制，以此来达到控制湍流运动的目的。实验分析了在平板湍流边界层中加入局部 吹吸扰动后的流动结构。扰动是通过从壁面上一个展向窄缝加入不同频率的周期 扰动信号而获得的，改变平板湍流边界层中不同尺度结构的成分及其能量分布， 从而对平板湍流边界层中原有的相干结构进行影响和干扰。利用热线测速技术， 在不同扰动频率条件下对风洞中壁面湍流边界层中的相干结构进行了实验研究， 主要工作由以下几个部分组成： 1 实验数据采集：用i f a 3 0 0 热线风速仪和双斜丝热线探针分别对于不同扰动 频率条件下，以高于最小湍流结构时问频率的分辨率精细测量风洞中平板 湍流边界层不同流向、法向位置速度时问序列信号。 2 平均流场的测量：用双斜丝热线探针测量了风洞中平板湍流边界层不同法 向位置，施加周期性扰动前后的流向平均速度分布，对平板湍流边界层无 量纲化的平均流场进行了检验，并根据其不同流向位置的平均速度分布来 确定该扰动影响区域。 3 根据描述湍流局部多尺度涡结构相对迁移运动的粗粒化速度结构函数的概 念和子波变换技术研究湍流多尺度涡结构，用子波系数瞬时间歇因子和平 坦因子检测平板湍流边界层中，施加周期性扰动前后的多尺度结构，提取 平板湍流边界层中的多尺度结构的条件相位平均波形，研究平板湍流边界 层固壁表面形成展向涡，对湍流边界层中的多尺度结构的影响。 4 周期性扰动对湍流统计量的影响：由实验采集到的流向脉动速度和法向脉 动速度计算雷诺应力，对比研究在旋加周期性扰动对脉动速度统计量的影 响。 第二章实验设备与测量技术 第二章实验设备与测量技术 2 1 实验设备与装置 2 1 1 三元回流式低湍流度风洞简介 实验是在三元回流式低湍流度风洞中完成的( 如图2 - i 一1 所示) 。本风洞为 木质结构的回流式闭口低速风洞，主要用于流动稳定性和湍流的实验研究，还可 进行应用性技术研究。风洞轴线离地面高度有1 3 0 m ，截面形状除风扇段为圆形 外，其它均为八角形。 幽2 一卜l 大沣大学低( 曼) 瑞流及风洞 实验段：截面尺寸：高0 6 0 m ，宽0 8 0 m ，四角各切去一个1 0 0 x 1 0 0 m m 的 切角。实验段长度1 5 0 m ； 收缩段：风洞的收缩比为6 7 5 ： 流速：实验段气流速度4 0 m s 以下连续可调； 动压场系数：实测值小于0 2 9 6 。 原始湍流度：占 0 2 ； 能量比：积。m 1 5 。 边界层厚度( 距实验段入口1 2 米处) ：万一= 4 2 1 m m ； 流速稳定性：里二兰l 。o 2 ； u 流速场的均匀性：兰 0 2 5 ； u 风洞采用变频器调速装置，马达功率2 2 k w 。 第二章实验设备与测量技术 2 1 2 抽吸测量装置简介 实验平板水平放置在风洞实验段内。如图2 1 _ 2 所示，正对来流方向的平板 前缘为楔形，通过平板上的一个流向宽度5 毫米，展向长度3 0 0 毫米的展向缝引 入局部扰动，该缝位于距离平板前缘5 0 0 毫米处。如图2 - 1 2 所示，坐标轴的原 点位于缝的后边界的中心线处。采用了热线技术和恒温风速仪( t s i i f a 3 0 0 ) 。 在目前局部扰动由一个频率可控，而且，频率范围在2 t z 一1 2 8 h z 扬声器得到。 湍流边界层 图2 - 1 2 实验段和局部扰动装置 2 2 热线测速技术 2 2 1 热线风速仪原理 热线测量流速起源于二十世纪初，k i n g 的工作( 1 9 1 4 ) 奠定了热线风速仪 的工作理论基础。热线风速仪的出现是流体力学实验技术进步的一个里程碑，它 使流体力学研究者获得了研究非定常流动特别是湍流的有力工具。当我们在流场 中放置通过电流的金属丝敏感组件时，由于电流的热效应金属丝会产生一定的热 量，它在与周围流场的热交换过程中，因流体流速的变化导致了敏感组件的温度 变化，继而引起其电阻的变化。在一定电路的配置下，可以建立起流体速度与电 信号的对应关系。这样，我们就可以通过测量热线的电量来确定流体的速度，这 就是热线风速仪的工作原理。 根据热平衡原理，任何时候热线由于温度升高所产生的热量应该等于流速上 升所耗散掉的热量；反之，任何时候热线的温度降低所损失的热量应该等于流速 降低所积累的热量。当然，这里排除了流速以外的其它因素的影响。 第二章实验设备与测鼙技术 在热平衡过程中，涉及到流速、加热电流和热线温度( 或电阻) 三个基本量， 它们之间有一定的对应关系：当加热电流保持恒定时，热线温度( 或电阻) 和流 速之间建立了确定的函数关系，利用这个关系测量流速的方法称之为恒流法；当 保持热线温度( 或电阻) 恒定时，热线的电流和流速之间建立了确定的函数关系， 利用这个关系测量流速的方法称之为恒温法。根据上述两种不同原理制成的测速 仪分别称为恒流式测速仪和恒温式测速仪。 恒温热线测速仪具有热惯性小，频响宽等特点。目前其频响已超过5 0 0 千赫 兹，完全满足湍流中出现的各种频率成份的需要。而恒流式热线测速仪缺乏恒温 式测速仪的上述特点，它的热惯性效应比恒温式测速仪大得多，电子补偿也较困 难，不过它在测量温度脉动和低湍流度上仍有很大的优越性。 根据热平衡原理，在通常情况下，当热线与周围流体介质之间的热交换处于 平衡状态时，加给热线的热量应与热线的热量耗散相等。在忽略热传导( 热丝长 径比在1 0 0 以上) ，热辐射( 辐射散热面积小) 和自由对流( 风速大于1 0 c n y s ) 的情况下，热耗散主要取决于强迫对流。在假设热线是无限长，热损耗率仅决定 于垂直于热线的速度分量时，上述热平衡原理可表示成k i n g 公式： , j r 。= ( t w 一乙) ( 彳+ 曰两 ( 2 - 2 - 1 ) 其中：j 。加到热线上的电流 热线电阻 l 热线温度 气流温度 u 气流速度 a、b 是与流体和热线有关的物理常数。 但这个假设只有在层流流过放置在均匀且未受扰动的流场中的无限长的柱体时 才是准确的。 由热线电阻与其温度之间的关系： l 等 其中：r e 韫度瓦时热线电阻 0 【热线材料的电阻温度系数 ( 2 - 2 - 2 ) 第二章实验设备与测晕技术 将( 2 2 2 ) 代入( 2 2 - 1 ) 得： 两端同乘r 。有： ，。2 r ，= e 百w - r e ( 彳+ 占4 - 8 ) ( 2 2 r 3 ) 咖，2 = 掣( 枷面) ( 2 州) 那么，( 2 2 4 ) 式可以表示成 e 2 ：彳+ 口厄 其中 _ = 筹埘= 一警2 2 2 2i f a 3 0 0 恒温热线风速仪 ( 2 2 - 5 ) i f a ( i n ：t c l l i g e n c ef l o wa n a l y s i s ) 3 0 0 恒温热线风速仪是天津大学流体力学实 验室于1 9 9 9 年从t s i 公司购进的1 9 9 7 年产品，用于湍流的实验测量。t s i 公司 是全球著名的生产流动测量设备的公司，自1 9 6 1 年起致力于热线、热膜设备的 研究和开发。几十年来，它的产品不断更新换代、融合新的技术( 如数字及计算 机技术) ，从原来的i f a l 0 0 发展到今天的i f a 3 0 0 ，使湍流测量的自动化程度越 来越高，精度也不断提高。该设备从热线标定到数据采集到数据处理都可以通过 i f a 3 0 0t h e r m a l p r o 软件实现。 图2 - 2 1i f a 3 0 0 恒温热线风速仪 第二章实验设备与测量技术 这套测速设备还带有一个精密的微压传感器，该传感器将气流的压力信号转 化为电压信号输入计算机，在标定过程中进行自动采集。本实验用的i f a 3 0 0 有 4 个通道。如果用一个通道，其采样频率最高为7 1 4 2 8 5k h z ，使用两通道时其 频率最高为4 1 6 6 6 6k h z ，使用三通道其频率最高为2 7 7 7 7 7k h z 。就其采样频 率而言完全能满足湍流测量的要求。而且i f a 3 0 0 可以对采集到的数据图像实时 显示。在本实验中使用的热线探针为t s i l 2 1 0 t i 5 型双丝热线探针，热线材料 为直径是5 埘的钨丝。 t s i 的新型i f a 3 0 0 恒温热线风速仪是一种计算机控制的具有自动频率最佳 化功能的热线热膜风速仪，允许风速仪连续地感受流动速度并自动地调整风速 仪，能够实时地实现最佳化频率响应。 i f a 3 0 0 恒温热线风速仪的主要特点是： 1 原理：闭环w h e a t s t o n e 电桥反馈控制，预移相型原理； 2 自动频率最佳功能：s m a r t t u n e 最佳化电桥补偿。为所有速度自动地、实 时地最佳化。没有测量烦恼，不需要做方波试验，操作十分简单方便； 3 频率响应( t 1 5 热线) ：3 0 0 k h z ，2 5 ：1 电桥。可以对湍流和高速流精确地 测量； 4 电阻测量和工作电阻调节：自动化，调节精密的敏感元件工作温度； 5 最大工作电阻：2 8 0 q ，有很宽的敏感元件变化范围； 6 精度：0 1 + - 0 0 1q 7 最大探针电流：1 6 a m p ，2 5 ：l 电桥，可在水探针、高速流、高温流中工作； 8 探针电缆长度：5 m 或3 0 m ； 9 等效放大器输入躁声：1 ，7 m y h z 低等效湍流强度； 1 0 放大器输入漂移：0 3 u v 。 图2 - 2 - 2 双丝热线探针 第二章实验设备与测量技术 2 2 3 热线探针校准器( c a l i b r a t o r ) 本实验中使用的t s l l 2 1 0 t 1 5 型双丝热线探针是由实验室自己用t s l l 0 1 7 0 型电焊设备焊接的。由于探针电阻、空气质量等因素的变化，在使用前需要对探 针进行标定。天津大学流体力学实验室新引进的t s i l l 2 8 型热线风速校准器可提 供流速在o 5 0 m s 之间连续可调的标准流场，以标定单丝、双丝或三丝热线探针。 热线探针校准器提供了一个标准的射流流场用于标定热线探针，圆射流喷口直径 为d = 1 0 m m ，其校准装置示意图如图2 2 3 所示。将它与i f a 3 0 0 相连，可实现 对热线探针的标定。由于本试验采用弯头双斜丝热线探针测速技术，这里简单介 绍利用校准器( 如图2 - 2 4 所示) 标定弯头双斜丝热线探针工作过程：将自配的 空气压缩机( 如图2 - 2 - 5 所示) 与之相连作为气源，气体通过空气过滤器和一系 列阀门进入校准器和贮气罐；调节校准器的调速旋钮，通过监视计算机上显示的 速度值，使校准器射流出口速度达到所需值；将探针支杆弯曲处的切线方向与来 流方向平行放置进行标定，通过给定1 7 个不同流速及在最大来流速度2 3 流速 下给定1 1 个角度，同时记录下对应的电压，即可得到两组组流速与电压的对应 关系，对实验点进行曲线拟合，即： = k + a e + b e 2 + c e 3 i - d * e 4 系数x 、彳、b 、c 、d 通过标定实验确定。图2 - 2 6 为i f a 3 0 0 恒温式热线风 速仪对t s i 一1 2 l o t l 5 型热线探针进行标定得到的电压流速曲线。 图2 - 2 - 3 校准设备装置图 第二章实验设备与测最技术 图2 - 2 - 4 热线探针校准器 图2 - 2 5 空气压缩机 图2 _ 2 - 6t s i 一1 2 l o t l 5 型双丝热线探针的标定曲线 一 一 一 =匡 一 一 一 一 r二翌ijirlljjj|1111jjjj|+o e o 霉一2 ， 第二章实验设备与测量技术 2 3 三维自动控制坐标架 本实验所用三维自动坐标架系统为天津大学流体力学实验室引进的美国 t s i 公司生产的计算机自动控制坐标架系统c c t s 一1 1 9 3 e ，如图2 3 1 所示。该三 维自动坐标架系统装置是天津大学流体力学实验室于2 0 0 4 年从t s i 公司购进的 新产品，配合i f a 3 0 0 以及t h e r m a l p r o 软件用于实现湍流实验的全自动测量，大 大的提高了湍流测量的精度。该自动坐标架系统可以通过前台操作面板控制，或 通过计算机在三个方向上精确移动及定位探针，实现实验远程控制及完成测量。 该系统参数为：量程为6 0 0 m ，分辨率为l o ，m ，精度为5 0 p m 一，重合性2 0 朋， 移动速度l o m m s 。 图2 - 3 1 三维自动控制坐标架 第三章施加局部周期性吹吸扰动前后对基本流场的影响 第三章施加局部周期性吹吸扰动前后对基本流场的影响 3 1 基本实验流场的测量 湍流边界层近壁区域的流向平均速度沿边界层法向分布剖葱的测量是一项 比较成熟的技术，经过近一百年的研究和探索，其近壁区域的对数律平均速度剖 面已经得到公认。特别是近三十年来，热线测速技术( h ，a ) 的广泛使用和激 光测速技术( l d a ) 的成熟与发展，实现了对湍流边界层近壁区域流场微小干扰或 无干扰的平均速度剖面测量。 3 1 1 平板湍流边界层平均速度剖面的测量 湍流边界层近壁区域的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、粘性系数等内 尺度物理量密切相关： 旦：胁丛+ b “ y ( 3 - 1 - 1 ) 其中，u 为平均流速，v 是运动粘性系数，”为壁面摩擦速度，它与壁面摩擦切 应力f 。的关系为： f w 2 p “ 壁面摩擦切应力f ，与阻力系数c ，的关系为： ( 3 1 - 2 ) c f = f ( 虞j ：z ) = 2 ( u u 。) 2 ( 3 1 - 3 ) 本文采用平均速度剖面法测量湍流边界层的壁面摩擦阻力。该方法是通过测量湍 流边界层近壁区域对数律平均速度剖面测量湍流边界层的壁面摩擦阻力f 。，不 需要对湍流边界层的壁面进行破坏，不需要在流场中安装复杂的测量装置，不会 影响湍流边界层壁面附近区域原有的流场，因而具有很高的实用性、准确性。 在准确测量湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上，通过非线性 迭代拟合其中的参数a 、b 、虬、蜘，其中y 。为法向坐标误差修正值。其计算程 序的流程图如下： 第三章施加局部周期性吹吸扰动前后对基本流场的影响 测量法向各点平均速度 上 i 利用n e 、v t o n 迭代法初步估算对数律平均速度剖面的迭代初始值 1 l 利用最速下降法拟合参数a 、b 、y o 、” 上 将各参量写入指定数据文件 根据实验测量所得的数据绘制无量纲化速度“+ = o u 。和无量纲化法向位 置坐标y + = y u 。v 之间关系的曲线。在距离平板前端x = 5 0 0 m m 处，采用 t s i 一1 2 4 3 一t 1 5 型双丝热线探针沿法向从距壁面小于0 5 m m 处向上移动。采样 频率5 0 ，0 0 0 h z ，采样时间2 0 9 7 1 5 s ，数据量为1 ，0 4 8 ，5 7 6 。 3 2 不同频率周期性扰动对平均速度剖面的影响 在距离平板前端x = 5 0 0 m m 流向位置处沿平板展向开5 m m 宽的缝，通过窄 向缝向边界层内分别施加8 h z 、1 6 h z 、3 2 1 - l z 、4 8 h z 、6 4 h z 、1 2 8 h z 的周期性扰 动，用热线风速仪测量缝下游x = 0 m m 至1 0 0 m m 的位置施加1 6 h z 、3 2 h z 、4 8 h z 、 6 4 h z 扰动的平均速度剖面，如图3 - 2 - 1 所示。从图( a ) 中可看出，在流向位置 一= 0 0 处开始，由壁面沿法向1 2 0 m m 范围内，在边界层内施加1 6 i - i z 、3 2 h z 、 4 8 h z 、6 4 h z 的扰动效果比较明显，平均速度剖面与没有扰动的情况差别较大； 而8 i - i z 、1 2 8 h z 的扰动效果不明显，与没有施加扰动的平均速度剖面相差较小。 这一结果表明，施加不同频率的扰动对边界层平均速度剖面的影响效果不尽相 同，1 6 h z 、3 2 h z 、4 8 h z 、6 4 h z 的扰动效果比较明显。从图3 - 2 - 1 中还可看出， 施加扰动后使缓冲层无量纲化的平均速度分布变化很大。相比较这几种频率，其 中3 2 h z 的扰动的范围最大，效果也较明显。随着流向位置的增加，扰动的作用 减弱，在流向位置x = 7 0 m m 及其以后，施加扰动对平均速度剖面基本不产生影 响。 第三章施加局部周期性吹吸扰动前后对基本流场的影响 l j1 2 2 匕 丝 1 8 b 1 e 1 j 1 2 y ( a ) y y ( b ) ( c ) ( f ) 图3 - 2 一l 同一流向位置处不同频率周期性欧吸扰动对平均速度剖面的影响 图3 - 2 2 给出了在施加单一频率周期扰动情况下，扰动对不同流向位置的平 均速度剖面的影响。显然，流向位置由f = o 0 0 至r = 2 0 0 ，周期扰动对平均速 度剖面的影响在逐渐减弱，从图中可以看出，在一= 1 4 0 后流向位置处的平均速 度剖面已基本一致，而且1 6 h z 、3 2 h z 比4 8 h z 、6 4 h z 的扰动对平均速度剖面的 影响范围大。在低雷诺数条件下，施加不同频率的周期扰动对流向位置一= 1 4 0 及 其下游的平均速度剖面已经没明显影响。也就是说，在来流速度u 。= 7 $ m s 左 右，本实验周期扰动的影响区域可以确定为流向位置从窄缝开始直到下游 x 。1 4 0 、法向位置y + 3 0 0 的这段区域，影响区域的确定为本文进行湍流边界 层相干结构的影响与控制提控了参考范围。 第三章施加局部周期性吹吸扰动前后对基本流场的影响 一 ox = 0 0 m ， ( a ) ， p t 笠 侣 j1 0 1 2 1 0 0 1 0 0 0 y ( ” ( c )( d ) 图3 - 2 - 2 同一频率的扰动对不同流向位置平均速度剖面的影响 3 3 壁面摩擦速度、壁面摩擦阻力和壁面摩擦系数的测量 图3 3 1 、3 3 2 、3 3 - 3 所示为分别在不同流向位置处施加不同频率的扰动对 壁面摩擦速度、壁面摩擦阻力和摩擦系数的影响。可以看出：在同一流向位置， 在1 6 h z 、3 2 h z 、4 8 h z 和6 4 i - i z 之间，随着扰动频率增大，壁面摩擦速度，壁面 摩擦阻力和摩擦系数先增加后减小，其中3 2 h z 使得壁面摩擦速度、壁面摩擦阻 力和摩擦系数增加最大。而且随着流向位置的增加，扰动对壁面摩擦系数的影响 逐渐减弱。取对平均速度剖面影响最大的频率3 2 h z 和流向位置x = 1 0 m m 处，来 流速度u