（流体力学专业论文）湍流边界层多尺度结构及其非平衡控制的实验研究.pdf

中 文 摘 要 本文从理论上提出了基于局部多分辨意义的湍流多尺度局部平均结构函数 的概念以描述湍流多尺度结构的伸缩变形和相对运动。 从实验上用i f a 3 0 0 恒温热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率 精细测量了施加局部周期性抽吸扰动前后的平板湍流边界层中不同法向位置和 不同展向 位置的瞬时流向速度分量的时间序列信号。 用子波分析对湍流脉动速度 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。 验证了 多尺度局部平均结构函数的概念与h a r r 子波变换的一致性，提出了用子波系数 的瞬时强度因子、 瞬时平坦因子、 平坦因子检测平板湍流边界层中的多尺度相干 结构的两种检测准则， 提取了湍流边界层不同法向 位置和不同 展向 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碎发的动力学过程， 用子波 系数研究了多尺度相干结构对推广的自 相似标度律e s s 的影响。 实验发现， 提取出的各尺度相干结构具有一定的相似性， 它们是湍流边界层 产生非线性奇异标度律的原因。 将信号中的多尺度相干结构分离以后， 由子波系 数计算的e s s 标度指数就回到k o l m o g o r o v 线性标度律，这一现象在整个湍流边 界层都是很明显的。 在平板湍流边界层的固壁表面沿流向 平行切割若干条窄缝， 用以施加局部周 期性抽吸扰动， 改变平板湍流边界层中不同尺度相干结构的能量分布、 条件相位 平均波形、 平坦因子和碎发频率， 从而对平板湍流边界层中原有的多尺度相干结 构进行干扰和控制，以达到壁面减阻的目的。 关键词:壁湍流，局部平均速度结构函数，多尺度相干结构，子波变换，局部 周期性抽吸扰动，减阻 a b s t r a c t i n t h i s p a p e r , t h e c o n c e p t o f l o c a ll y c o a r s e - g r a in e d v e l o c i t y s t r u c t u r e fu n c t i o n s , w h i c h d e s c r i b e s t h e r e l a t i v e m o t i o n s o f s t r a i n i n g a n d c o m p r e s s in g f o r m u lt i - s c a l e e d d y s t ru c t u r e s i n t u r b u l e n t fl o w s , i s a b s t r a c t l y p u t f o r w a r d b a s i c t o t h e t h e o ry o f l o c a l l y m u l t i - s c a l e a n d m u l t i - r e s o l u t i o n a v e r a g e . i n t h e p r e s e n t e x p e r i m e n t , t h e t i m e s e q u e n c e o f l o n g i t u d i n a l v e l o c i t y c o m p o n e n t w i t h i n / w i t h o u t p e r i o d i c b l o w i n g / s u c t i o n , a l o n g d i ff e r e n t n o r m a l a n d t r a n s v e r s e p o s i t i o n s i n a fl a t - p l a t e t u r b u l e n t b o u n d a r y l a y e r h a s b e e n f i n e l y m e a s u r e d b y i f a 3 0 0 c o n s t a n t t e m p e r a t u r e a n e m o m e t e r w i t h r e s o l u t i o n h i g h e r t h a n k o l m o g o r o v s c a l e . t h e s c a l e s o f m u l t i - s c a l e e d d y s t ru c t u r e s a r e d e t e r m i n e d b y a u t o - c o r r e l a t i o n f u n c t i o n . t h e e x p e r i m e n t a p p r o v e s t h a t t h e c o a r s e - g r a i n e d v e l o c i t y s t ru c t u r e f u n c t i o n i s i d e n t i c a l w i t h w a v e l e t t r a n s f o r m . i t i s r e p r e s e n t e d t h a t t h e c o h e r e n t s t r u c t u r e s a n d i n t e r m i tt e n c y a r e i d e n t i fi e d b y m u l t i - s c a l e fl a t n e s s f a c t o r b a s e d o n l o c a l l y a v e r a g e d v e l o c i t y s t r u c t u r e f u n c t i o n s . t w o c o n d it i o n a l s a m p l i n g s c h e m e s f o r m u l t i - s c a l e c o h e r e n t s t r u c t u r e s e d u c t i o n h a v e b e e n d e v e l o p e d u s in g i n s t a n t a n e o u s i n t e n s i t y f a c t o r , i n s t a n t a n e o u s fl a t n e s s f a c t o r a n d fl a t n e s s f a c t o r o f wa v e l e t c o e ff i c i e n t s . p h a s e d - a v e r a g e e v o l u t i o n s h a p e s f o r m u l t i - s c a l e c o h e r e n t . e d d y s t r u c t u r e s i n t u r b u l e n t b o u n d a r y l a y e r a r e e x t r a c t e d b y t h i s c o n d it i o n a l s a m p l i n g t e c h n i q u e . t h e d y n a m i c c o u r s e o f m u l t i - s c a l e c o h e r e n t e d d y s tr u c t u r e s b u r s t i n g i s r e s e a r c h e d . e x t e n d e d s e l f - s i m i l a r i t y s c a l i n g l a w i s c a l c u l a t e d u s i n g w a v e l e t c o e f fi c i e n t s , a n d t h e i n fl u e n c e o f c o h e r e n t e d d y s t r u c t u r e s o n e s s s c a l i n g l a w i s a l s o s t u d i e d . i t i s f o u n d t h a t t h e c o h e r e n t e d d y s t ru c t u r e e v o lu t i o n s h a p e s p i c k e d u p a t d i ff e r e n t s c a l e s a r e s i m i l a r . t h e y a r e r e s p o n s i b l e f o r t h e n o n l i n e a r a n o m a lo u s s c a l i n g l a w . wh e n t h e s e e v e n t s a r e e l i m i n a t e d , i n t e r m i tt e n c y a n o m a l i e s a r e n o t o b s e r v e d a n y l o n g e r a n d t h e k o l m o g o r o v l in e a r s c a l i n g l a w i s a c h i e v e d o n t h e s c a l i n g e x p o n e n t s c a l c u l a t e d w i t h e s s u s i n g w a v e l e t c o e f f i c i e n t s . a p e r i o d i c b l o w i n g / s u c t i o n f o r c i n g , i s s u e d fr o m s e v e r a l t h i n l o n g i t u d i n a l s l o t s o n t h e w a l l , i s i n t r o d u c e d t o a l t e r m u l t i - s c a l e i n g r e d i e n t s o f c o h e r e n t e d d y s t r u c t u r e a n d t h e i r e n e r g y d i s t r ib u t i o n i n t u r b u l e n t b o u n d a ry l a y e r , w h a t i s m o r e , t o p e r t u r b a n d c o n t r o l th e c o h e r e n t e d d y s t r u c t u r e s i n o r d e r t o a c c o m p l i s h d r a g r e d u c t i o n o f s k i n f r ic t i o n . k e y w o r d s : w a l l t u r b u l e n c e , l o c a l l y a v e r a g e d s t r u c t u r e f u n c t i o n , m u l t i - s c a l e c o h e r e n t e d d y s t ru c t u r e , w a v e l e t t r a n s f o r m , p e r i o d i c b l o w i n g / s u c t i o n d i s t u r b , d r a g r 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 玉 生立 岁 匕 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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 缈 缪 签 字 日 期 : 渺， 年， 月 。 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解达遗乞 有 关 保留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定。 特 授 权 叫玉建大崖 生 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 : 势 4 导师签名 签 字日 期 : ) e v t 年/月 9日 签 字 日 期 : 夕 砂 习 终 )月8 日 第一章引 言 第一章引言 1 . 1 湍流结构函数与湍流间歇性 1 . 1 . 1问题的提出 在对湍流结构函数和湍流间歇性的研究过程中，有两个问题一直困扰着我 、门 。 首 先 ， 在 研 究 湍 流 结 构 函 数 的 标 度 律 (i8 u (x ， r)ip ) 一 (lu (x ) 一 (x + r )i p ) 一 )n) 时 ，为什 么在 提 出速 度 结构 函数 时用 点 x 十 r和 点 x的两 点速 度 差 加( : ， ， ) 二 。 ( : 十 r ) 一 “ ( x ) 表示速度结构函数， 而不考虑点x + r 和点x 之间 其他流 体质 点的速度 ?什 么条件下可 以用点 x 十 r和 点 x的两 点速度 差 8 u ( x , r ) = u ( x + r ) 一 u ( x ) 表示速度结构函数? 什么条件下在速度结构函数中需要 考虑点x 十 ; 和点x 之间其他流体质点的速度? 其次， 1 9 9 7 年r . c a m u s s i 和g . g u j 在j f l u i d m e c h . 发表的 题为o r th o n o r m a l w a v e l e t d e c o m p o s i t i o n o f t u r b u l e n t fl o w s : i n t e r m i tt e n c y a n d c o h e r e n t s t r u c t u r e s 的文 章中 ( 见 参考文献 1 ) 提出: 若u ( x ) 在点x 处是a 阶的 连续h o l d e ; 函数， 即: 8 u ( x , r ) = u ( x ) 一 u ( x + r ) 一 r r - - 0( 1 一 1 一 1 ) 其中; 为 尺度， 则其经过子波变换得到的子波系数w ( r , x ) 有如下关系成立: w ( r , x ) 一r 0 ( 1 一 1 - 2 ) 即速度结构函数与子波系数结构函数的标度指数是等价的。 类似的结论还出 现在 m .o n o r a t o , r .c a m u s s i , g l u s o ) , m . f a r g e ) , a m e o d o , g r a s s e a u , h o l s h n e id e r 1 , b a c r y , a r n e o d o , f r i s h e t a l . 、 m i m o u n i , l a v a l , s c h e u x e r e t a l . es ， 的 文章中 。 最近的实验研究表明: 在粘性作用不可忽略、 雷诺数有限的真实条件下， 湍 流速度结构函 数与子波系数结构函数并不等价。 图1 - 1 给出了在不同湍流流场中 测量的流向 速度分量的速度结构函数6 阶矩、 子波系数结构函数6 阶矩以 及本文 提出的局部平均的结构函数6 阶矩的比 较。 从图1 - 1 可以 看出， 在双对数律坐标 下， 经典速度结构函数与子波系数结构函 数的斜率， 即创门 相应的标度指数并不 相等，这说明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不 同。因此，经典速度结构函数的标度律与子波系数结构函数的标度律并不等价。 第一章引言 第一章引言 1 1 湍流结构函数与湍流间歇性 1 1 1 问题的提出 在对湍流结构函数和湍流间歇性的研究过程中，有两个问题一直困扰着我 们。首先，在研究湍流结构函数的标度律( 1 却( tr ) 1 9 ) = ( p ( x ) 一“ + r ) 1 9 ) r 时，为什么在提出速度结构函数时用点x + r 和点x 的两点速度差 血( x ，) = “( z + r ) 一“( x ) 表示速度结构函数，而不考虑点x + r 和点x 之间其他流 体质点的速度? 什么条件下可以用点x + r 和点z 的两点速度差 5 u ( x ，r ) = “( x + r ) 一“( x ) 表示速度结构函数? 什么条件下在速度结构函数中需要 考虑点x + ，和点x 之间其他流体质点的速度? 其次，1 9 9 7 年r c a m u s s i 和gg u j 在j = f l u i d m e c h 发表的题为o r t h o n o r m a l w a v e l e td e c o m p o s i t i o no f t u r b u l e n tf l o w s ：i n t e n n i t t e n c ya n dc o h e r e n ts t r u c t u r e s 的文 章中( 见参考文献 1 ) 提出：若u ( x ) 在点x 处是口阶的连续h b l d e r 函数，即： 其中r 为尺度，则其经过于波变换得到的子波系数w ( r ，x ) 有如下关系成立 ( 1 一l 一2 ) 即速度结构函数与子波系数结构函数的标度指数是等价的。类似的结论还出现在 m o n o r a t o ，r c a m u s s i ，g 1 u s o m f a r g e 吐a m e o d o ，g r a s s e a u ，h o l s h n e i d e r b a c r y , a r n e o d o ，f r i s he ta l 、m i m o u n i ，l a v a l ，s c h e u r e re t a l 的文章中。 最近的实验研究表明：在粘性作用不可忽略、雷诺数有限的真实条件下，湍 流速度结构函数与子波系数结构函数并不等价。图1 1 给出了在不同湍流流场中 测量的流向速度分量的速度结构函数6 阶矩、子波系数结构函数6 阶矩以及本文 提出的局部平均的结构函数6 阶矩的比较。从图1 - 1 可以看出，在双对数律坐标 下，经典速度结构函数与予波系数结构函数的斜率，即它们相应的标度指数并不 相等，这说明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不 同。因此，经舆速度结构函数的标度律与子波系数结构函数的标度律并不等价。 第一章引言 ( a ) 平板湍流边界层近壁区域的缓冲层y + = 1 3 ( b ) 平板湍流边界层外区边界附近y + = 1 2 0 0 ( c ) 圆自由射流中心线位置 ( d ) 圆自由射流远场位置 图卜l 经典速度结构函数、局部平均速度结构函数和子波变换速度结构函数6 阶结构函数 于是，提出了如下的问题：为什么速度结构函数与子波系数结构函数不等 价? 原因是什么? 与子波系数结构函数等价的结构函数的形式是怎样的? 经过 对子波变换的数学性质和物理意义的研究，认为关键是经典结构函数提出的时代 背最、物理条件与真实( 雷诺数有限) 湍流存在差距，与子波系数结构函数等价 的应该是本文提出的局部平均的速度结构函数。 回顾历史，在上个世纪三、四十年代，湍流被看作一种完全随机现象，因而 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的涨落，湍流的基本特征就是流体运动具有统计意义的随 机性，gi t a y l o r 基于上述观点建立了湍流统计理论和方法，从而将研究重点引 向用概率统计方法和隧机场理论研究湍流脉动的统计特性。k o l m o g o r o v l 7 1 根据随 机场理论在1 9 4 1 年提出的k 4 1 理论预言了速度结构函数的线性标度律。该理论 认为，在雷诺数极高( 趋于无穷大) 的均匀各向同性湍流中，在小尺度空间耗散 区和大尺度含能区之间形成了一个惯性予区t c cr c c l ，其中所有脉动量只依赖 于尺度r 和平均能羹耗散率8 ，与流体的粘性系数v 无关。这里n 代表粘性耗散尺 度，l 代表积分尺度。记商x ，) = 睡x + ，) 一娴为流场中流向距离为，的两点沿流向 第一章引言 速度分量之差。当r e 惯性子区内时，p 阶速度结构函数及速度耗散率函数与r 有如下关系： * r m 这里 表示系综平均。根据量纲分析，标度指数 ( 1 一l 一3 ) ( 1 1 4 ) 这就是k o l m o g o r o v 线性标度律。 应该提出并值得特别注意的是：k 4 1 理论成立的前提条件是雷诺数趋于无穷 大的情况，在此条件下相对于惯性力而言粘性v 的作用微乎其微，可以忽略不计， 因此，一个流体微元的运动不受周围流体微元的粘性影响，也不会对周围流体微 元产生粘性作用，其运动是完全随机的，湍流中不再有结构的存在，流体微元的 运动也不受湍流结构的制约。于是可以用任意两点的相对运动速度来表示速度结 构函数。 二十世纪四十年代末期至六十年代末，由于流体力学实验技术的发展，开始 能够对湍流的涨落特征进行比较深入细致的研究，从而深入研究湍流的产生、发 展和演化的过程，相继在射流、尾流、自由剪切流、湍流边界层等剪切流动中发 现了相对有组织的间歇性的大尺度运动，这种大尺度运动的强度、尺度和结构形 态对于同一类型的流动具有普遍性和可重复性，因而被称为相干结构或拟序结 构。相干结构的发现是湍流研究中的一次重大突破，展示了湍流的本质特征，极 大地改变了对湍流的传统认识，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。说明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 ( p ) 与线性标度律 ( 1 - 1 4 ) 的偏离。 k o l m o g o r o v 【8 】在1 9 6 2 年提出了修正的自相似假设( r e f i n e ds i m i l a r i t y h y p o t h e s i s ) ，认为粗粒化脉动速度与粗粒化能量耗散率以量纲关系式相联系： 面( ，) o e ( 占，) 1 仃， r 7 ( p ( 1 一卜5 ) 由此导出速度结构函数的标度指数 ( p ) 与能量耗散率函数的标度指数t ( p ) 有如 第一章引言 下关系 ( p ) = 导+ t ( 晏) jj ( 1 1 6 ) 其中s ，是瞬时能量耗散率s 在尺度为r 的球内的空间平均。 k 6 2 理论承认了湍流中由于粘性导致的多尺度结构的存在，初步认识到不同 尺度湍流结构对耗散率结构函数的作用是不同的，用多分辨分析的理论首次提出 了多尺度局部平均的耗散率结构函数s ，的概念，将耗散律函数s 在不同尺度r 的 球内进行空间平均。 同样，对于湍流速度结构函数和其它结构函数，也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粗粒化的速度结构函数来表示一定尺度，下 湍流结构的相对运动。湍流结构粗粒化的速度结构函数应该代表该尺度下湍流结 构的相对运动速度，而不是流体质点的相对运动速度。因此，应该对原有速度结 构函数中的速度分量分别在尺度内先进行局部平均，得到这个结构的平均速度。 基于湍流局部平均概念粗粒化的速度结构函数定义为： l a u ( b ，r ) i = j 雨啪撕 一雨础。川j ( 1 - l - 7 ) “( x ) 表示在中心分别为6 一三和6 + 昙，尺度为的两个相邻湍流结构中流体相对运 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中点的 空间位置。 ( 卜1 7 ) 式的物理意义是在流向空间范围x e 陋_ 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 e 【6 ，6 + r 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 陋一r ，b + 川内有一个空间尺度为2 r 的湍流结构 流经热线探针所在位置，则( 卜i 一7 ) 式表示热线探针测量到的其空间尺度为r 的 前一半结构x t 6 ，b + ，】与空间尺度r 为的后一半结构z 【6 一6 1 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流向拉伸变形。直径为r 的相 邻两个湍流结构粗粮化的速度结构函数面( r ) 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r 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国中的速度分量“0 + r ) 和u ( x ) 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r 的结构的平均迁移速度。 第一章引 言 1 . 1 . 2结构函数和标度律研究的其他进展 1 9 9 3 年意大利学者b e n z i (9 l和他的同 事们发现， 任意阶次为p 的 速度结构函 数对9 阶 ( 通常取3 阶)结构函数的依赖关系也呈很好的幂次函数关系，即: 二 i ) 和is u (r )l ， 除 了 ( r ) ( ， 和巨 (r )i ( ， 外 没 有 其 它 的 特 征 脉 动 幅 度。 4 . 在充分发展湍流的惯性区内，无量纲层次结构量之间有严整的相似性。 该模型预测的标度指数律现在称为s - l 标度律。 s - l 理论认为，任意尺度上 最强的结构称为最高激发态; 只有最高激发态才是控制湍流脉动结构统计特征量 的特征结构， 在充分发展湍流的惯性子区内， 各层次结构之间通过相似关系与最 高激发态相联系;通常情况下，最高激发态对应于湍流中涡丝形状的流动结构。 基于层次结构理论，可以得到速度结构函数和能量耗散率的标度指数公式: ( p ) = y p 一 _3y - 11- 0 “ 一 p ” x1- 0 (，一 p 0) ( 1 一 1 一 1 0 ) t 0 = x p - ( 1 - 1 - 1 1 ) 第一章引 言 其中y 是速度结构函 数最奇异标度指数，即 最高激发态的 标度指数，p 是间歇参 数，x = 3 y 一 i 是能量耗散率的最奇异标度指数，即最强能 量耗散率的标度指数。 以上研究结果都是对最简单的湍流均匀各向同性湍流在极高雷诺数( 雷 诺数趋于无穷大) 的条件下得到的， 而自 然界和工程技术中广泛存在的是非均匀 各向同性湍流剪切湍流， 对于中等雷诺数下不同类型的非均匀湍流， 不同尺 度结构的统计特性以及剪切湍流的影响是理论和实验都迫切需要进一步深入研 究的问题。 这对于研究不同类型的非均匀湍流流场中湍流的普适性规律及通过控 制湍流中的最高激发态结构达到控制湍流的目的具有重要意义。 当揣流场不是均匀各向同性时， 最强间歇结构随着空间位置和方向的变化而 改 变， 4, ( p ) 对最强间歇结构的改变很敏感， 对不同的 流场环境很容易发生变化， 4, ( p ) 的系统性变化就表明了 流场物理环境的 变化m 。 最近， g r u i z c h a v a r r i a z f .t o s c h i 等人n 3 n i 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流向脉动速度的结构函数的标度指数明显小于 同阶均匀各向同性湍流的标度指数， 随着测点距离壁面法向 位置的增加， 同阶的 标度指数也相应逐渐增加， 边界层外测点的标度指数逐渐趋于均匀各向同性湍流 的标度指数。 r . c a m u s s i ,c i g u e l o n o r a t o z 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， 这种小尺度结构一般表现为类似马蹄涡或发卡涡的管状 相干结构。 多尺度相千结构的碎发与标度指数的非线性奇异标度律密切相关， 不 同尺度相干结构都具有很强的间歇性， 剪切湍流中的多尺度相干结构对湍流的统 计性质特别是间歇性产生重要影响。 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 己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 到的碎发现象。 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。 第一章引 言 1 . 2 本文工作 在理论研究方面， 提出了基于局部多尺度平均意义的湍流多尺度局部平均结 构函数的概念以描述湍流多尺度结构的伸缩变形和相对运动。 在实验方面， 用i f a 3 0 0 热线风速仪以小于最小湍流时间尺度的分辨率精细 测量了平板湍流边界层在不同雷诺数下施加局部周期性抽吸扰动前后各展向位 置的湍流流向脉动速度信号的时间序列信号。 检验了平板湍流边界层无量纲化的 平均流场，并用平均速度剖面法测量了平板湍流边界层的壁面摩擦切应力。 验证了 基于湍流结构局部平均概念粗粒化的速度结构函数与子波变换的多 分辨分析的一致性。根据多分辨分析理论提出了 基于子波系数的瞬时强度因子、 瞬时平坦因子和平坦因子的概念， 及用其检测湍流多尺度相干结构的两种检测准 则。提取了湍流边界层中多尺度相干结构的条件平均波形。 检验了提取湍流多尺度相干结构以后的子波系数结构函数标度指数的变化 规律，研究了湍流多尺度相干结构对子波系数结构函数标度指数的影响。 通过在平板湍流边界层的固壁表面沿流向引入一定频率下相互平行的局部 周期性抽吸扰动， 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多尺度相干结构进行干扰和控制。 对比研究了局部周期性抽吸扰动对无量纲化平均流场和壁面摩擦切应力的 影响。 对比 研究了平板湍流边界层在不同雷诺数下施加局部周期性抽吸扰动后对 各展向位置湍流多尺度相干结构的能量分布、 条件平均波形、 湍流间歇性、 多尺 度相干结构发生概率等统计性质的影响。 第二章实验设各与测量技术 第二章实验设备与测量技术 2 1 实验设备与装置 2 1 1t u l w t 低( 变) 湍流度风洞简介 实验是在t u l t 盯低( 变) 湍流度风洞中完成的( 如图2 - 1 1 所示) 。本风洞 为木质结构的直流闭口式，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。风洞总长1 6 5 0 m ，最大宽度1 6 4 m ，最前端有进气室，末端有排 气室，占地面积约s o f t 。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，其它均为切角的矩形。 图2 - l r l 天津大学低( 变) 湍流度风洞 实验段：截面尺寸：高0 4 5 m ，宽0 3 5 m 。实验段长度4 5 0 m 。 收缩段：风洞收缩段采用二次收缩，收缩比分别为7 1 l 和1 7 8 ，总收缩比 为1 2 6 4 。在两部分收缩段之间有0 2 5 m 长的平直过渡段，可安装 变湍流格栅。 流速：实验段最大气流速度超过4 0 m s ，并可连续调速。 动压场系数：实测值小于0 2 。 原始湍流度：小于0 0 7 ，合理使用放大、滤波后，可低达0 0 3 。 能量比：e r a 1 2 0 。 风速范围：风速介于0 5 7 m s 和4 1 o o m s 之间。 第二章实验设备与测量技术 变湍流度能力：介于0 o a r2 2 之间。 轴向静压梯度；望垦 0 0 0 5 。 蕊 噪声；工作室噪声小于8 0 d b ，测控室小于7 2 d b 。 风洞采用赢流可控硅调速装置，马达功率7 5 k w 。 2 1 2 切缝平板及抽吸测量装置简介 实验平板水平放置在风洞实验段内，与来流方向平行。平板长l = 4 5 0 0 m m ， 宽3 5 0 r a m ，厚5 r a m 。如图所示平板被切割出l o 条窄缝，缝长2 0 0 r a m ，缝宽0 2 r a m ， 相邻两缝间距1 6 m m 。平板的前缘为对称楔形，拌线后铺有砂纸以加快转捩，使 来流能够在探针测量位置处形成充分发展的湍流，在距离平板前端x = 2 4 0 0 m m 处进行测量，如图2 一卜2 所示。当自由流向速度7 6 l ，s 时，边界层动量损失厚 度o = 8 1 唧，雷诺数r e 。= 兰生= 2 2 6x l oe 。 u 每 争 审- 图2 - 1 2 切缝平板示意图 缝 实验装置如圈2 - 1 - 3 所示，实际测量位置距平板前缘2 4 0 0 m m 处，热线探针 放置在保护套内，由三维坐标架( 如图2 一卜4 所示，该坐标架可分别沿x 、y 、 z 三个方向移动并可以旋转，其移动精度可达0 0 2 m m ) 固定在测量位置的正上 方处，并与i y a 3 0 0 恒温热线风速仪连接进行数据采集。抽吸装置如图2 - 1 5 所 示，由电动机和气缸、活塞装置组成，其工作过程大致为：电动机带动活塞往复 运动。将气体周期性的抽吸，抽吸频率通过变频调速器调节。抽吸装置与平板窄 缝下的储气室相连，通过一定频率的抽吸作用对风洞实验段内的流场施加局部周 期性扰动。 苎三兰塞竺堡鱼兰塑兰垫查 计帆 图2 - 1 3 实验装置图 图2 - 1 4 三维坐标架 第二章实验设备与测量技术 圈2 - 卜5 施加局部周期性抽吸扰动的设备 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 ”j 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。 在热平衡过程中，涉及到流速、加热电流和熟线温度( 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 第二章实验设备与测量技术 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，频晌宽等特点。耳前其频晌已超过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( 风速大干1 0 e r a 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： 1 w 2 r 。= ( o r e ) c a + 口万) ( 2 - 2 - 1 ) 其中：j 。加到热线上的电流 凡热线电阻 l 热线温度 t 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 。警 其中：尺。温度t 时热线电阻 热线材料的电阻温度系数 将( 2 - 2 2 ) 代入( 2 - 2 1 ) 得： 两端同乘r 。有 。耻警( 肌b 4 - 0 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ，。：月。z ：墅黑型( 彳+ 8 面) ( 2 州) 涨一 第二章实验设备与测量技术 那么，( 2 2 - 4 ) 式可以表示成 其中e = i r 。，a e 2 = 4 + f 厕 ：塑，：一塑 嘁 a 2 2 2i f a 3 0 0 恒温热线风速仪 ( 2 - 2 - 5 ) i f a ( i m e l l i g c n c 嚣f 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 c r m a l p r o 软件实现。 图2 - 2 一i1 f a 3 0 0 恒温热线风速仪 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 l l 2 1 0 t i 5 型单丝热线探针，热线材料 为直径是5 , u r * 的钨丝。 第二章实验设备与测量技术 图2 - 2 2 单丝热线操针 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： 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； 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： 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： 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； 最大工作电阻：2 8 0 q ，有很宽的敏感元件变化范围： 精度：0 1 + - 0 0 1q 最大探针电流：1 1 a m p ，2 5 ：1 电桥，可在水探针、高速流、高温流中工作： 探针电缆长度：5 m 或3 0 m ； 等效放大器输入躁声：1 7 m v h z 低等效湍流强度： 放大器输入漂移：0 3 u v 。 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 型单丝热线探针是由实验室自己用t s l l 0 1 7 0 型电焊设各焊接的，因此在使用前需要进行标定。天津大学流体力学实验室新引 进的t s l l l 2 8 型热线风速校准器可提供流速在0 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，圆射流喷口赢径为1 ) = 1 0 m m ，其校准装置示意圈如图 2 - 2 - 3 所示。将它与i f a 3 0 0 相连，可实现热线探针的标定。校准器( 如图2 t q 所示) 工作过程大致如下：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。 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 第二章实验设备与测量技术 将探针垂直来流放置进行标定，通过一组不同