（流体力学专业论文）西气东输工程管道壁面涂料减阻机理的实验研究.pdf

中文摘要 本文为了配合西气东输工程中采用管道壁面涂料减阻技术，应用热线测速技 术，对风洞中壁面覆盖减阻涂料的平板湍流边界层进行减阻机理的实验研究。 在风洞中用i f a 3 0 0 智能化热线风速仪和单丝边界层微型热线探针精细测量 了不同壁面涂料的壁湍流平均速度剖面，利用壁湍流对数律平均速度剖面与壁面 摩擦速度、流体粘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其中的壁面摩擦速度, 。，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，对三种涂料的壁面减阻性能进行了比 较实验研究，为进一步认识壁面减阻机理提供实验依据。这三种涂料分别是聚氯 脂、环氧树脂、沥青，每种涂料三种厚度涂层，加上对比壁面，一共十块实验模 型。每一块实验模型在风洞中用三个雷诺数( 来流速度) 吹风。 用予波分析对平板湍流边界层不同法向位置的流向速度的时间序列信号进 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，用子波系数的 瞬时强度因子、平坦因子检测壁湍流中的多尺度相干结构。提取了湍流边界层不 同法向位置多尺度相干结构的条件相位平均波形研究了多尺度相干结构猝发的 动力学过程。用予波系数的概率密度函数分析多尺度相干结构对间歇性的影响。 实验发现，具有减阻效果的涂料使近壁区流向平均速度增加，缓冲层增厚， 对数律区上移，产生减阻效果。通过改变平板湍流边界层中不同尺度相于结构的 能量分布、条件相位平均波形、平坦因子、相对强度、发生概率，使湍流结构相 干性增强，流动有序化程度提高，从而对平板湍流边界层中原有的多尺度相干结 构进行控制，以达到壁面减阻的目的。在对数律区以外涂料对流动结构的性质基 本不产生影响。 关键词：子波分析概率密度函数问歇性多尺度相干结构条件相位平均波形 减阻 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , c o a ti sa p p l i e dt ot h ep r o j e c to fg a sp i p ef l o wf r o mw e s tt oe a s t t h e t 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 yi su s e dt os t u d yt h em e c h a n i s mo f d r a gr e d u c t i o nf u rt u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e rc o a t e do nt h es u r f a c eo f w a l l m e a nv e l o c i t yp r o f i l eo fw a l lt u r b u l e n c ew i t hd i f f e r e n tc o a tb o u n d a r yh a sb e e n f i n e l ym e a s u r e db yi f a 3 0 0c o n s t a n t - t e m p e r a t u r ea n e m o m e t e ra n ds i n g l ew i r ep r o b e t h e r eh a ss o m er e l a t i o nb e t w e e ns k i nf i i c t i o nv e l o c i t ya n dt h el o g a r i t h m i cl a wo f m e , a nv e l o c i t yp r o f i l e t h es k i nf r i c t i o nv e l o c i t ya n dt h es h e a rs t r e s sa r ec a l c u l a t e d t h r o u g hf i t t i n gt h el o g a r i t h m i cl a wo fm e a nv e l o c k yp r o f i l et h ea b i l i t yo fd r a g r e d u c t i o nw i t ht h r e ek i n do fc o a ta r es t u d i 。d w h i c hp r o v i d ee x p e r i m e n tb a s e st ot h e r e s e a r c ho fd r a gr e d u c t i o nm e c h a n i s m i nt h i se x p e r i m e n t ，e a c hc o a th a st h r e e t h i c k n e s s t e nf l a t - p l a t e s ，i n c l u d i n gan o - c o a tf l a t - p l a t e s , a r es t u d i e dw i t ht h r e e d i f f e r e n tr e y n o l dn u m b e r ： t h ev e l o c i t yt i m es e q u e n c es i g n a la td i f f e r e n tv e r t i c a ll o c a t i o n si nat u r b u l e n t b o u n d a r yl a y e ra r ea n a l y z e db yw a v e l e tt r a n s f o r mw i t hm u l t i s c a l e t h es c a l e so f m u l t i s c a l ee 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 t h ec o h e r e n t s t r u c t u r e sa r ei d e n t i f i e db yf l a t n e s sf a c t o rb 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 e f u n c t i o n s p h a s e d - a v e r a g ne v o l u t i o ns h a p e sf u rm 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 si n t u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e ra r ee x t r a c t e db yt h i sc o n d i t i o n a ls a m p l i n gt e c h n i q u et h e d 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 l x i g t u r e $ b u r s t i n gi sr e s e a r c h e d 、t h e i n t e r m i t t e n e yf e a t u r e s , s t u d i e dt h r o u g ht h ep r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o no ft h ew a v e l e t c o e f f i c i e n t s , a r ef o u n di n f l u e n c e db ym 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 i t i sf o u n dt h a tc o a tw i 也d r a gr e d u c t i o nm a k et h es t r e a m w i s em e a nv e l o c i t y i n c r e a s e dn e 盯t h ew a l lr e g i o n a tt h es a m et i m et h eb u f f e rl a y e ri si n e r a s s a t e d a n d t h el o g - l a wr e g i o nm o v e su p w a r d s t h ec o a tc h a n g et h ed i s t r i b u t i n go fe n e r g 弘t h e p h a s e d - a v e r a g ee v o l u t i o ns h a p e s a n dt h ef l a t n e s s f a c t o r ,e n h a n e et h ec o h e r e n t s t r u c t u r e s ，m a k et h ef l o wr e g u l a r , a n dw o r ko na n dc o n t r o lt h em u l t i - s c a l ec o h e r e n t e d d ys t r u c t u r ei nat u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e 毛i no r d e rt or e d u c et h er e s i s t a n c eo ft h e w a l li nt h el o g - l a wr e g i o n , t h es p r a y i n gh a sn oe f f e c to nt h ef l o ws t r u c t u r e s k e yw o r d s ：w a v e l e tm m s f o r m , t h ep r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n , i n t e r m i t t e n c y ， m u l t i s c a l ec o h e r e n te d d ys t r n c t u r e ，p h a s e d - a v e r a g ee v o l u t i o ns h a p e s ，d r a gr e d u c t i o n 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。叁盗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：蜷那曲势签字同期：一一r年。月d 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞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、汇编以供查阅和借阅。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： 导师签名 签字日期：吠酊年0 月e l 签字日期：久烟晦月妒园 第一章引言 1 1 壁湍流研究简述 1 1 1 问题的提出 第一章引言 壁湍流( 如图卜1 所示) 是指粘性流体( 气体、液体) 高速流过或绕过固体 表面一定阶段后，在距离固壁表面附近很薄的区域内，由于流动不稳定性的作用 发展而成的平均速度随空间径向( 法向) 坐标变化很快( 梯度很大) 而瞬时流动 又极端混乱的流体流动状态。它是广泛存在于自然界和工程技术中的典型流动状 态，同时由于瞬时流动结构的极端复杂性它也是流体力学和工程技术中一个尚 未解决的难题。 憋强 ：_ r - ，f 。 二一盟f 毪1 一_ _ _ - 一一o o _ o - 岬一_ 一一 广o ，7 簿瓣| 厂v i i簿瓣 篷 2 7 祷嚣魏冀餐移艨翁麓裢嚣魏藏黪断 ( 彀攥嫡醚熬霄鹣擦一 图1 一l 壁湍流示意图 在长距离管道流动中，靠近管道壁面的流动属于壁湍流。壁湍流在管道中虽 然只是径向很薄的一层区域，但在管道输运中却是一个尚未解决的难题，管道输 运中的很多问题都与壁湍流中的流动结构的产生、演化、发展、相互作用密切相 关。它一方面可以使壁面摩擦阻力大幅度增加，使管道输运的能耗加剧，管道输 运的效率下降，管道壁面磨损严重，降低管道使用寿命；、另一方面还可以使管道 压力波动加剧，幅值提高，随机性增加，管线振颤加剧，降低管道流动稳定性， 第一章引言 甚至引起管道破裂，从而对管道输运系统的安全和可靠性构成严重威胁。 因此，从机理上分析壁湍流层中的流动结构及其形成原因，进而提出控制壁 湍流的有效方法不仅成为湍流基础研究的前沿课题，而且是工程技术中亟待解决 的重要问题。而控制壁湍流的主要目的之一就是减小壁面摩擦阻力，降低管道运 输能源消耗，提高管线输运效率，延长管道使用寿命，提高管道输运系统运行的 安全性、稳定性和可靠性。 1 1 2 壁湍流的分层与复杂流动结构 壁湍流在管道中虽然只是径向很薄的一层区域，但其内部的流动结构和流动 现象却极其复杂，按照流动结构和流动现象划分，壁湍流从壁面开始主要分为内 区和外区两大部份。内区又分为粘性底层、缓冲层( 这两层又统称为粘性壁面区) 以及对数律层靠近壁面的一部分( 这一部分又成为重叠区) ；外区包括对数律区 及尾流区( 如图1 2 、1 3 所示) 。 1 0 - 41 0 _ 3o 0 1n 10 31 j _ l l _ l l 一y 舻 o u r e rl a y e r o v e r l a pm 画姐 l o g 1 a wr 昭i o u n 獭u v i n o u sw a l l 蟛锄 蝻l 啊 v i $ c o u $ s u b l a y e r 。一 y 1 ” l51 0 3 05 0 1 0 01 0 0 0 1 0 , 0 0 0 f 培7 暮a 叠哦c b 瓶口呐喀t k l ，l l i o m w a l l 糟垂黜函l l y c 垮嫡l l 。d i n 琏皿s0 f 广一鹏删5 ，妇t u f o u l 咖籼n n e l n w 越蛐r 斜n d l d 墨n l m b d r ( r c t l 蛳 图1 2 壁湍流分层构成示意图 第一章引言 圈1 3 擘湍流分层结构 其中粘性底层是粘性起主要作用的区域，这一层非常薄，只占壁湍流总厚度 的0 5 0 左右j 一般实验很难测量到，这一层非常靠近壁面，粘性起主要作用， 可以忽略湍流的影响，其平均速度分行为线性分布如公式l _ 一l 所示： 2 u ( y ) ：旦y = “。y + ，0 ，+ - - 5 v 其中少= u y y 为用粘性内尺度单位无量纲化的法向坐标，i i 。是壁丽摩擦速 度，v 是流体牯性系数。 粘性底层外是缓冲层5 s y + 3 0 ，这一层是湍流产生的主要( 关键) 区域，其 瞬时流动现象和流动结构非常复杂混乱，目前对它的流动机理还不完全清楚，没 有明确表达的平均速度分布剖面。该区域湍流结构的理论与实验研究是湍流基础 研究的前沿课题。 需要特别指出的是，这一层虽然也报薄，只占壁湍流总厚度的1 ，却是湍 流产生的主要( 关键) 区域，其湍流产生量占壁湍流总产生量的9 0 以上( 如图 1 4 、1 5 所示) 。 第一章引言 墓| 枣 嚏 弋 誉 n gt a n o n 州l 蒯b u k i l 衅u n e r g ) 柙抵1 i o i lr a t ( t 州u n i tv o l u m e , 赫8 删。n l b o 嗽i d a ：, y n y e l 。f k k b ，i ；o n1 0 5 4 j ， 圈1 4 壁湍流不同分层缔构对湍流产生率的贡献 f l g ”m k1b n t ：泌l e 挑订h l k “m 。? 静、砌州 冲l 协m8 t 姐、斌 甜b m 。mb 擞i 嬲3 傅i ? ；融m 孵躺“ 图1 5 壁湍流分层结构累计对湍流产生率的贡献 缓冲层混乱的流动现象和复杂的结构是壁面摩擦阻力大幅度增加、管道输运 的能耗加剧的关键原因，其中低速条纹结构的拟周期猝发现象是物理基础。荚国 斯坦福大学的k l i n e ( 1 9 6 7 ) 对湍流近壁区流动结构进行全面细致的观测工作， c o r i n o ( 1 9 6 9 ) “1 、k i m ( 1 9 7 1 ) 0 1 、s m i t h ( 1 9 8 3 ) ”。又发现低速条纹的抬升在 外区形成高剪切层使低速条纹发生振荡。然后低速流体向外区喷射、使条纹结 构破碎，接着一股来自外区的高速流体冲入内区，使由条纹破碎引起的紊乱流动 第一章引言 变得比较平稳。并将这一系列的过程称为相干结构的猝发，如图l - 6 ( a ) ( b ) ( c ) 所 示。 ( a ) 俯视图 ( b ) 侧视闰 第一章引言 ( c ) 顶视蚓 圈1 6 壁湍流缓冲层相干结构的猝发现象 相干结构的发现是湍流研究中的一次重大突破，极大地改变了对湍流本质的 传统认识，标志着对湍流本质的认识从完全无序的阶段进入了无序中的有序的新 阶段。现在已经公认，相干结构是湍流中的重要结构，对湍流中动量、能量和质 量的输运，对湍流的产生、维持、演化和发展起着重要作用。相干结构的理论和 实验研究，为认识湍流的本质并最终达到控制湍流的目的开辟了新的途径。 1 2 壁湍流边界层减阻方法概述 壁湍流在管道输运中引起的最严重的问题就是壁面摩擦阻力大幅度增加，使 管道输运的能耗加剧，管道输运的效率下降，管道壁面磨损严重，降低管道使用 寿命，对管道输运系统的安全和可靠性构成严重威胁，特别是在石油和天然气的 长距离输运过程中，这个问题尤为突出。 输运管道壁面减阻问题是湍流工程应用研究的前沿课题，目前的研究都是基 于对壁湍流缓冲层中相干结构猝发过程的理论与实验观测上的认识。目前普遍的 观点认为壁湍流缓冲层中相干结构猝发过程是产生湍流的根本原因，也是壁丽摩 第一章引言 ( c ) 项视蚓 捌1 6 壁湍流缓冲层相干结构的骅拉现象 相干结构的发现是湍流研究中的一次重大突破，极大地改变了对湍流本质的 传统认识，标志着对湍流本质的认识从完全无序的阶段进入了无序中的有序的新 阶段。现在已经公认，相干结构是湍流中的重要结构，对湍流中动量、能量和质 量的输运，对湍流的产生、维持、演化和发展起着重要作用。相干结构的理论和 实验研究，为认识湍流的本质并最终达到控制湍流的目的开辟了新的途径。 1 2 壁湍流边界屠减阻方法概述 壁湍流在管道输运中b i 起的最严重的问题就是壁面摩擦阻力大幅度增加，使 管道输运的能耗加剧，管道输运的效率下降，管道壁面磨损严重，降低管道使用 寿命，对管道输运系统的安全和可靠性构成严重威胁，特别是在石油和天然气的 长距离输运过程中，这个问题尤为突出。 输运管道壁面减阻问蹶是湍流工程应用研究的前沿课题，目前的研究都是基 于对壁湍流缓冲层中相干结构猝发过程的理论与实验观测上的认识。目前普遍的 观点认为壁湍流缓冲层中相干结构猝发过程是产生湍流的根本原因，也是壁面摩 观点认为壁湍流缓冲层中相干结构猝发过程是产生湍流的根本原因，也是壁面摩 擦阻力大幅度增加的根本原因；壁湍流缓冲层中相干结构猝发过程产生的混乱流 动现象和复杂流动结构导致了管道输运中在管道周向和径向上不必要的动量和 能量消耗。要减小壁面摩擦阻力，降低管道输运的能源消耗，就需要控制湍流的 产生，就需要抑制缓冲层中相干结构猝发过程，增加壁湍流粘性底层的厚度，保 持壁湍流近壁区域流动状态的平稳和有序，减少缓冲层混乱的流动现象和相干结 构猝发的发生，以减少对管道输运不必要的能量消耗。因此，一般控制湍流运动 的方法都是从控制相干结构入手，为此通过多种途径来控制相干结构的猝发。目 前有以下方法： 1 - 沟槽减阻： 人们最早发现鲸鱼、鲨鱼等大型海洋动物的皮肤表面并不是绝对光滑的，在 它们的皮肤表面存在着平行排列深浅不一的纵向沟槽，而这些大型海洋动物在游 动过程中遇到的阻力比理论计算的结果要少2 0 。自从2 0 世纪7 0 年代n a s a ：兰 利研究中心发现顺流向微小沟槽表面能有效降低壁面摩擦阻力以来，沟槽减阻 直是湍流减阻技术中的研究焦点。 关于沟槽减阻机理的研究目前有以下几个方面： a ) 沟槽的几何形状 近年来，人们对截面为各种形状的沟槽进行了研究，其中包括：矩形、v 形 ( 对称和非对称) 、半圆形、u 形、不规则四边形、齿形等。w a ls h ”“”实验得出 峰脊为弧形的沟槽减阻甚微，丽对称v 形沟槽具有减阻效果。h o o s h m a n d ”1 也鹅 出沟槽高度和宽度为1 5 个粘性长度的对称v 形沟槽减阻效果最好，与光滑壁面 相比减阻率达8 。综合不同学者的大量研究结果，较为一致的看法是：v 形槽为 最佳减阻几何形状，而减阻效果取决于沟槽的槽宽与槽间距这两个重要尺度。 b ) 沟槽的放置方式 实验中沟槽的方向总体而言有三种：顺流向、横向以及与流向呈一定角度方 向。大部分实验都是顺流向沟槽，发现一定尺度的流向沟楷具有减阻效果。 g a u d e t 。3 认为沟槽在与流向呈一定角度时仍具有减阻效果，但当该焦度超过约：她 时减阻效果消失。 沟槽顺流向放置时又可以分为将沟槽的峰脊与基础面平齐和槽底与基础面 平齐两种方式。l a z o s w i i k i n s o n 9 3 的矩形沟槽实验中发现：两种放嚣方式对 阻力的影响没有显著差别。但事实上，为了尽量避免来流流场受到沟槽锐利断面 的影响，b a c h e r s m i t h “，g a ll a g h e r t h o m a s “等在实验中都采取沟槽的峰 脊与基础面平齐的方式。 顺流向沟槽对湍流边界层流动特征的影响主要有： a ) 沟槽对平均速度剖面的影响主要表现为平均速度剖面的对数律层外移， 第一章引言 即沟槽的存在使得边界层近壁区缓冲层厚度发生变化。w a n g “4 认为具有减阻效果 的沟槽面上粘性底层厚度增加，从而使得缓冲层与对数律层上抬。这与c h o i 直 接数值模拟所得结论一致“。c h o i 直接数值模拟结果表明，具有减阻效果的沟 槽面上，对数律速度剖面上抬，认为是由粘性底层增厚引起的，而对于不具减阻 效果的沟槽面上对数律速度剖面下移，认为是由粘性底层变薄引起的： a n s e l m e t “”得出流向平均速度梯度在沟槽峰脊上部增长了1 0 0 ，而在沟槽内部 几乎为零，分析认为具有减阻效果的沟槽内部存在类似层流的流动，该结论与 v u k o s l a v c e v i c “”和p o l l a r d “的结论相一致。 b ) 沟槽对近壁区湍流拟序结构的影响： 染色法对比观察沟槽面和光滑猫低速条纹发现：沟槽面的低速条纹有较好的 真线性，认为沟槽限制了流向涡的展向运动，使横向流动减弱，高速与低速条纹 间的动量交换减小，增加了流动的稳定性。此外王晋军“”通过氢气泡法发现：减 阻沟槽面流场中低速条纹数目增加，即平均无量纲条纹间距减小，认为较小的条 纹间距有利于减阻。普遍认为，沟槽影响近壁区湍流的拟序结构的，通过改变湍 流的猝发频率来改变湍流阻力。但是如何影响的还存在不同结论。 沟槽尺度不同，减阻效果不同，说明沟槽内部有可能存在着二次流动。 c h o i ，m o i n k i m “”在研究沟槽面对流向涡的影响时发现：沟槽内存在着与非环 形截面交流区相同结构的二次涡，二次涡由小涡对组成，作用是使沟槽峰脊部位 流体向上运移，而槽内流体向下运移，且大尺度沟槽内的二次涡尺度也较大，减 阻效果差，但未能明确指出二次涡是如何影响减阻特性的。c h u k a r n i a d a k i s 。 以及c h u ，h e n d e r s o n k a r n i a d a k i s ”也发现沟槽内部的二次涡结构。s u z u k i k a s a g i ”发现槽间距较宽时沟槽内二次流动尺度为中等大小，较窄的沟槽内，二次 流动较弱。 沟槽减阻机理的研究多为猜想： a ) c h o i 直接数值模拟得出l l ：1 ，在具有减阻效果的沟槽面上，由于流向涡平 均直径小于沟槽间距，大部分流向涡因无法进入沟槽而保持在沟槽面上部，使得 只有有限表面暴露于流向涡诱导的高剪切性流体中，因而尽管表面积增大，还是 达到了净减阻效果。这与l e e 。”的p i v 实验结果一致。 b ) b a e h e r s m i t h ”的“第二涡群”论将沟槽归因为：反向旋转的流向涡 与尖锐的峰脊作用产生“第二涡群”，第二涡群的产生和发展削弱了与低速条纹 相联系的流向涡强度，抑制了低速条纹的形成并减弱了低速条纹的不稳定性，即 低速条纹缓慢向上提升继而猝发的过程被减弱，从而达到减阻效果。 c ) b e c h e r t o ”等的“突出高度论”引入表观起点( 即平均起点) 和突出高度 ( 槽峰到表观起点所在平面的距离) 的概念。认为表观起点以下凹槽内的流动绝 第一章引言 大部分为粘性所阻滞，这在边界层流动中相当于增加了粘性底层的厚度，减小了 壁面上的平均速度梯度，结果导致表面摩擦阻力减小。 目前沟槽减阻主要用于石油和天然气管道输运方面，取得了较好的经济效 益。 2 柔性壁面减阻 早在上世纪六十年代初，k a r m a r n 仿照海豚皮肤的结构设计了一种柔性壁， 实验表明有明显的减阻作用。b u s h a e ll ( 1 9 7 7 ) ”等人认为，柔性壁能够吸收早 期猝发所产生的压力脉动，从而达到抑制猝发发生的作用，这将导致猝发频率的 下降和壁面摩阻的减小。舒玮( 1 9 9 0 ) 1 王玉春( 2 0 0 4 ) 3 分别在使用明胶和 乳胶制成的柔性壁面的实验中发现柔性壁面和流体处于同步波动时能导致粘性 底层厚度的增长，从而使外层流体速度分布平移。 3 加热丝法： 在物体表面沿流向平行放置若干条通电加热的金属细丝，在湍流边界层近壁 区域产生一组沿湍流边界层展向周期分布的大尺度流向涡结构，改变了平板湍流 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 干结构进行组织和控制。j w d v l f s 和n 。f y u r c h e n k o “”通过实验以及数值分析 揭示了随着温度梯度( 加热熊与周围环境之间的温度差) 的升高猝发的条带结构 逐渐变窄。n fy u r c h e n k o ”认为热对流的影响主要取决于边界层对流向涡结构 的接受能力其有选择性的依赖于空间尺度以及下游局部涡的产生。 4 波形壁法： 通过机翼部分表面上下振动可以在壁预上产生一层行波( t r a v e i n g w a v e s t w ) ，从而通常意义的边界层可以被系列稳定的涡所代替。在近壁剪切 层与外层流体之间，这些涡起着“流体滚动轴承( f l u i dr o l l e rb e a r i n g f r b ) 的作用。外层流体所感受到的f r b 为一个虚拟的流体层，当流体流过动波壁的那 一部分时，流动就像无粘性流动一样。因此，边界层的有利效应被保留甚至加强， 但所有不利的效应被减弱或消除。产生这种效应、控制边界层分离并减少摩擦阻 力的壁面叫做动波浪壁。t w 的概念最早是由t a n e d a 。0 1 和s a v c h e n k o ”在两个独 立的流动显示实验中提出的。他们发现在某种波长z 和相速度口u ，( 其中z 是 波长，u 是外流的速度) ，涡能够被锁定在动波浪壁面上。这些实验者已经在头 脑中预见了在外流当中f r b 的重大意义。嗣纳西空问研究所的吴建民小组，受 t a n e d a 和s a v c h e n k o 的实验启发并观察了海豚皮肤的波动模式，对二维不可压 流动在无限长波浪壁研究中，对其物理特性和可能价值进行了研究”“。吴建民小 组进一步进行数值研究并再次确认了其中较早的研究成果o 。在后来的数值研究 中有学者发现，当c u 偏离优化值时，涡脱落便开始出现，同时流动变得混乱起 9 第一章引言 来”“。 5 边界层壁面局部吹、吸气法： 1 y o d a ，j w e s t e r w e e l 。”用p i v 法对施加局部小扰动的流场进行了测量， 结果表明局部小扰动不会影响自由来流速度剖面，但可以使近壁区开孔附近边界 层的速度减小。实验发现小扰动可以影响近壁区的局部流场，减弱其空间相干性， 减小了低速条纹的流向、展向尺度。s h p a r k 、i l e e 以及h j s u n g 。通过 在壁面开一个展向窄缝引入正弦波动的方法研究了局部扰动对湍流边界层的影 响，发现周期性的局部扰动增加边界层的形状因子，减小表面摩擦。近壁速度剖 面的上移会引起表面摩擦的减小。在高频的扰动下，表面摩擦减小最多，而低频 扰动会产生相对较大的涡结构。高频下表面摩擦的减小要归因于二次涡的不利影 响的消失。对脉动速度分量的研究表明，较高的扰动频率会使边界层的湍流结构 产生较大变化。 6 声激励法： z a m a n 0 7 1 在低雷诺数( r e 1 0 5 ) 的情况下，在分离不久的边界层中给出一个 声波激励，从而消除层流分离，使流体再附( 低频声波情况) ，或消除一个提前 分离出的、大尺度涡阶( 高频声波情况) ，即消除大尺度涡结构以减少阻力。 7 壁而涂料法： 在航空航天飞行器的表面涂上某些油漆或涂料，不仅可以吸收雷达波以减小 雷达波的反射，提高飞行器的隐身性能，还可以起到壁面减阻的效果，从而减小 发动机燃料的携带量，降低飞行器自身载荷，提高飞行器的飞行速度和机动性能。 张学俊等。“1 从改变管道表面的润漫性角度考虑，在管道内壁涂敷一层有机材料， 使其形成疏油表面，减小管壁与蜡晶间的粘附和与原油之间的相互作用力，从而 使流动原油在管壁表面形成部分滑移，达到减阻目的。 8 聚合物添加剂减阻 在牛顿流体中溶入少量长链高分子添加剂，可以大幅度的降低流体在湍流区 的运动阻力，减缓湍流的发生。聚合物添加剂减阻是通过从液体内侧边界创造条 件，以实现减阻。长链高分子聚合物添加剂能导致减阻的共同特点是其额定的分 子数量级都是高达百万的。b a r o n 1 等通过直接数值模拟计算证明聚合物添加剂 能够影响流向涡的强度，增大低速条带的间距，从而减小湍流剪切应力实现减阻。 l u c k h i k 和t i e d e r m a n ( 1 9 8 8 ) “”在研究低浓度高分子溶液减阻时，测得类似的结 果，证明高分子聚合物的存在使得湍流脉动强度减弱。 1 3 壁湍流多尺度相干结构理论 1 0 第一章引言 1 3 1 湍流的本质多尺度涡结构 在研究湍流时，现在已经广泛使用“涡( e d d y ) ”这个概念。涡的概念和湍 流一样，虽然尚没有严格的定义，但可以列举出一些涡的特征： 1 涡是湍流中的结构，它是湍流能量、动量和质量的载体，对湍流的能量、 动量和质量的传递起决定性作用，它比分子的传递作用大很多。1 9 1 5 年 g i t a y l o r 在大气中的涡运动( e d d ym o t i o n i nt h ea t m o s p h e r e ) ”“一史 中，他用“涡运动”来分析大气中的热传递、风速变化以及稳定性，并给出了相 应的计算公式。他指出：“涡不仅传送热量和水蒸气，而且还传送动量，把原来 所在那一层的动量传送到另一层并与之混合。”根据这一设想，他在文中提出了 “涡导热性( e d d yc o n d u c t i v i t y ) ”和“涡粘性( e d d yv i s c o s i t y ) ”两个物理概 念。t a y l o r 把涡看作是由流体质点组成的湍流运动中特有的载体，它担负着传 送流体中的热量、动量和质量的任务，而且它的输运能力比分子强大很多。 2 它是具有有限尺度大小的流体团。湍流中充满大大小小不同尺度的涡， 最大的涡与平均流动的尺度同量级( 如网格孔径、边界层厚度、管道直径、绕流 体的直径等等) ，最小的涡的尺度为耗散尺度( 见t a y i o r l 9 1 8 年发表的关于涡 的耗散( o nt h ed i s s i p a t i o n ) “2 1 ) 。o b u k h o v 在湍流的微结构“一书中指 出：“在高雷诺数情况下，湍流可以看作是各种差别很大的长度尺度的涡的叠加， 只有最大的涡是直接由平均流的不稳定性产生，它的尺度与使平均流有显著变化 的尺度同量级。”d j t r i t t o n 在物理流体力学”“一书中也指出：“一个涡不 同于一个傅立叶分量之处在于下述方面，一个单一的傅立叶分量不论它的波长多 么小，都延伸到整个流场上，而一一个涡则是有局限性的，它的大小由它的长度尺 度来表示。”l d l a n d a u 在流体力学”一书中也指出：“叠加在平均运动上 的不规则运动可近似的地看作是不同尺度的涡叠加的结果，所谓涡的尺度是指速 度发生显著改变的距离。” 3 它有时间尺度( 有寿命) ，湍流中的涡处于不断地产生、发展和消亡的过 程中。剪切湍流产生与平均流动同量级的最大的涡，它在剪切运动或与其它涡的 相互作用中会破碎( 如壁湍流相干结构的猝发) 从而消亡，同时产生更小的涡。 最小尺度的涡的能量耗散为热，从而破碎成流体分子。( 见t a y l o r l 9 1 8 年发表的 关于涡的耗散( o nt h ed i s s i p a t i o n ) “) 。 4 它以一定的速度在流场中运动，可以旋转和变形，它只对流场在有限的 范围内产生影响，这种影响不会延伸到流场的无穷远处。湍流中个涡的作用范 围用相关为零时对应的距离定义，当关联为零时，就表示该涡的作用到此为止。 5 不同尺度的涡具有一定的相似性。表征不同尺度涡的物理量如速度、温 度、压力随时间、空间的变化具有一定的相似性，只是变化的尺度不同。 第一章引言 用培源教授1 认为：“湍流就本质来说，是由许许多多大小尺度不同运动着 的旋涡组成，所以应该先寻找作为湍流基元的旋涡的结构，然后再按照一定统计 平均的方法得到所需要的物理量的平均值和各种关联函数。” 1 3 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问和空间上发生具有统计意义的一i 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牲，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f 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z 的变化规律并预言了： o c l “ 刁 z a = i 丽州厂丽k 制f 9 ，。 ( 1 6 ) 其中 。代表对位置b 取系综平均。 1 3 3 局部平均结构函数与子波变换的关系 子波变换是新近发展起来的一种数学方法”，通过信号与一个被称为予波的 解析函数进行卷积将信号在时域空间与频域空间同时分解开来，它是一种时频双 局部化方法。 设一维信号u ( t ) 在子波函数下的子波分析定义为： 第一章引青 w u ( a ，6 ) = u ( t ) w 。( t ) d t ( 1 - 7 ) 其中予波函数族( f ) 是由局部振荡子波的母波函数w ( t ) 经过平移( 参数b ) 和一定尺度的伸缩变换( 参数a ) 而来的 既( f ) ：土( 上生) 口a 其中予波母函数和予波函数都应具有消去性。 j w ( t ) d t = o j w 。( t ) d t = 0 f 1 8 1 r 1 9 、 f 1 * 】0 1 其中子波函数是一定尺度下的局部振荡小波，其整体平均值为零，即局部振 荡幅值必须有正有负，但正值和负值的绝对值必须相等，保证正负抵消。 对信号进行一定尺度下的子波分析( 1 - 7 ) 相当于对信号中长度为2 疗的一段 信号f 一a + 6 ，a + b 】与子波函数( f ) 进行尺度为a 的局部振荡加权互相关分 析，子波函数在各点的函数值为权值，权值有正有负。但总数值的和必须为零。 虽然子波母函数的具体表达形式不尽相同，但所有予波函数和子波分析都具 有上述共同性质。也就是说，虽然湍流局部平均速度结构函数具体表达形式可以 不同，僵都和子波分析具有相同的多尺度局部振荡加权互相关分析的作用。 子波函数的多样性和湍流多尺度局部平均结构函数表达形式的多样性是一 致的。而湍流局部平均结构函数的多样性恰好说明了不同湍流形态中多尺度涡结 构及其动力学演化过程的多样性。 最简单的h a r t 子波母函数的定义为： 1 h ( t ) = 一1 0 1 r 0 0 f 1 其它 其在尺度a ，0 和位置r = 6 下的伸缩和平移变换为 4 第一章引言 日。( f ) ：上以三生) ： 口口 三 6 一口， 0 ，则【阪f 弦一f “( ，协】 0 ，表示上游结构的平均迁移速度慢于 下游结构的平均迁移速度，该流体结构正在进行拉伸。如果w ( 1 ，6 ) co ，则 【f 筹( 咖“一f ”( f 渺】t0 ，表示上游结构的平均迁移速度快于下游结构的平均迁移 速度，该流体结构正在进行压缩。 ( 1 5 ) 式和( 卜1 3 ) 式说明湍流中不同尺度流动结构的多尺度特征与予波变换 的多分辨概念是一致的，可以用子波变换的多分辨分析理论研究湍流结构的多尺 度特征，可以用( 卜5 ) 式或( 卜1 3 ) 式定义一定尺度，和一定位嚣6 下的局部平均的 湍流速度结构函数。用一定尺度f 下的局部结构的局部平均速度代替位置分别为 f + ，和，处的流体质点的瞬时运动速度，表示一定尺度下湍流结构前后两个部分 的局部平均相对运动速度，而不是前后两个流体质点的相对运动速度，从而考虑 了湍流结构的局部结构的多尺度特征。对于大尺度结构，其局部平均的范围就大， 对于小尺度结构，其局部平均的范围就小。 因此在雷诺数有限，考虑粘性对湍流结构的影响的条件下，r c a m u s s 与 g c u j 3 等人提出的经典速度结构函数的标度指数与子波系数结构函数的标度指 数等价的结论是错误的。与予波系数的结构函数的标度指数等价的应该是局部平 均速度结构函数的标度指数。 1 3 。4 湍流间歇性、奇异标度律与多尺度相干结构 相干结构不仅存在于大尺度中，也存在于小尺度中”“。前面所提到的大尺度 相干结构只是其中一种尺度比较大，作用比较强，作用效果明显的拟序结构，因 而在湍流实验研究中被较旱发现。在湍流边界层中，大尺度相干结构表现为典型 第一章引言 的猝发现象。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。小尺度的相干结构并不直接依赖于边界条件， 而主要由流体局部的流动本身的特征来决定。具体来讲，主要依赖于流体在局部 内的速度梯度、涡量和压力的变化。然而小尺度结构由于本身的不稳定性，很难 在实验中被观察到。但近年来已有许多直接数值模拟的计算机数值实验结果证明 了在很多不同类型的剪切湍流中，普遍存在有一种马蹄涡结构，而且是一种普适 的自相似结构。这种马蹄涡的演变会使规则的流动结构遭到破坏而产生局部的湍 流状态，也就是人们所观察到的猝发现象。因此，以前人们把湍流看成是大尺度 的有序运动和小尺度的随机运动相结合的观念也正在改变之中，确切地说，湍流 的小尺度运动应该被理解为是小尺度相干结构和小尺度时一空混沌的交替变化 共同形成的。gr u i zc h a v a r r i a ”“e t o s c h i ”“r c a m u s s i ”“m i g u e lo n o r a t o ”。 等人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相干结构，不同尺度相干结构都具有很强的间 歇性，条件相位平均结果表明，它们的发展和演化过程具有共同的特征。 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， 导致了速度结构函数的标度指数f 。与线性标度律的偏离。过去对雷诺数有限的 均匀各向同性湍流统计性质进行了许多研究，通过实验研究以及数傻模拟证实速 度结构函数p 阶矩的标度指数孝。是阶数p 的非线性函数，与线性标度指数 。= p 3 ”存在差异，因此也叫做奇异的标度律。这种奇异的标度律可以用不 同尺度的子波系数的概率密度函数形状的变化来反应。 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问歇 性的影响，对不同壁面距离、不同尺度下的子波系数的概率密度函数进行分析。 将b e n z i “”提出的扩展自相似性用于流向速度信号的予波系数的结构函数的统计 分析，将子波系数的p 阶矩绘制成以子波系数三阶矩为变量的函数，得到用子波 系数表示的推广的自相似标度律e s s 。 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： m ，加黯 ( 1 一1 3 ) 表示速度场每个尺度