基于dpiv的圆管湍流的研究

基于dpiv的圆管湍流的研究

近年来，水流一直是一种完全随机的自然现象，包括无限的空间比例和时间尺度。但自Corrsin首次报告湍流射流中的间歇性以来,人们发现湍流并不是完全随机的运动,而且随着时间的推移,越来越认识到拟序结构在湍流运动中的重要性。20世纪80年代,随着PIV技术的出现,人们可以同时定量测量整个流场中多点的速度分布,这使得湍流实验技术能够研究湍流场的分布情况,因此可以用来直观研究充分发展圆管湍流的近壁结构,这相对于流动显示以及单点定量测量技术LDV(LaserDopplerVelocimetry)和HWV(HotWireVelocimetry)技术都有明显的优势。本文利用DPIV技术分析研究了充分发展圆管湍流的近壁结构,研究中证实圆管近壁湍流中存在诸如喷发和扫掠、周向涡和低速条带等典型的湍流结构,同时也分析证实准流向涡的存在,这为二维实验研究三维结构提供了某些启示。1实验设备组成PIV的最大优势在于它可以获得整个流场的信息,从而在测量流场速度分布的同时得到流动结构,因此本文采用PIV技术研究充分发展圆管湍流的近壁结构,整个实验设备由实验系统和DPIV系统两部分组成,其中DPIV系统由光路系统、记录系统和诊断系统三部分组成,在这三部分中光路系统和诊断系统均由作者自行设计、加工组建完成。具体的实验设备、参数及DPIV诊断处理方法参见文献。2u3000平均速度在实验数据的处理中,本文首先对利用DPIV技术诊断得到的瞬时速度场进行统计处理,得到充分发展圆管湍流的平均速度分布,并在此基础上得到对应于瞬时速度场的瞬时脉动速度场的时间序列,从而得到最后的DPIV实验数据库。在平均速度的整个统计过程中,共处理580个样本,两样本之间的时间间隔为0.4s,大于特征时间Tb(=D/Ub=0.285s)和流体经过测试区域的时间(约为0.077s),速度样本间是统计独立的,在统计分析时采用时间和流向空间同时平均,所有统计量都采用圆管壁面摩擦速度进行无量纲化,具体方法参见文献。在研究圆管湍流的近壁结构中,共诊断处理2316幅连续的粒子图像,图像之间的时间间隔为0.02s,共计46s。该粒子图像和统计处理所用的粒子图像为同一时间序列。3直接数值模拟结果和直接数值模拟本文实验雷诺数Reb=UbD/ν=5155,和文献(分别为5300和5327)中的雷诺数非常接近,下面我们首先分析比较了本文的实验数据和Eggels的直接数值模拟(DirectNumuricalSimulation,简称DNS)数据以及Westerweel的DPIV实验结果。3.1圆管湍流的系数和速度剖面和边界层中的脉动强度实验结果图1给出了圆管湍流的统计结果,图1(a)和图1(b)分别为无量纲坐标和对数坐标下的平均速度剖面。在图中,DNS代表Eggels的DNS结果,WST代表Westerweel的DPIV结果。从图1(a)可以看出,平均速度剖面和DNS结果吻合得很好。Eggels指出,圆管湍流对数律u+z=1κlny++C(1)uz+=1κlny++C(1)中的系数κ和C与槽道和边界层中的系数不同,对于充分发展圆管湍流其取值分别为0.35和4.8。在本文实验中也证实了这一点,图1(b)中的LOG1和LOG2所表示的直线分别对应于槽道及边界层中的对数律系数(0.4和5.0)和Eggels建议的取值。从图中可以看出,实验得到的速度剖面在y+大于30时和直线LOG2吻合得很好,这说明充分发展的圆管湍流在y+大于30时平均速度剖面呈对数分布。图1(c)为流向和径向湍流脉动强度,在整个测试范围内和DNS结果吻合得比较好,在壁面处优于Westerweel的结果。在图1(d)中,可以看出本实验结果相对于Westerweel的结果在雷诺应力的测量上有较为明显的改善。3.2piv在结构法研究时的应用湍流流动的近壁区域是湍流生成和维持的重要区域,在该区内存在各种重要的拟序结构。多年来人们试图采用各种实验手段揭开湍流生成和维持的机理,并取得了一些结果,但是这些结果都是通过流动显示来把握结构的整体特性,并结合单点定量测量来推测结构发生的机理,缺乏能够将二者很好统一起来研究的有效手段,而PIV的出现使这些问题得到了很好的解决。本文在DPIV实验数据的基础上,分析和研究了充分发展圆管湍流的近壁结构,检测出圆管湍流中存在喷发和扫掠、周向涡以及流向涡和低速条带等典型的湍流拟序结构。3.2.1周向潮和水流至径流涡流的喷发喷发事件主要发生在y+=10～30的区域内,它是涡的诱导和低速流体共同作用的结果。首先在壁面附近形成低速流体区域(条带),然后在涡的诱导作用下这些低速流体向外猛烈喷发。从实验结果中我们可以发现涡的诱导作用主要有两种:周向涡和流向涡,相应的喷发也有两种。图2和图3分别为周向涡和流向涡通过测试区域时所形成的流动图案时间序列。周向涡诱导的喷发(图2)主要表现为和壁面角度很小的低速流体在周向涡附近的猛烈喷出,喷出是间歇性的,并且经常表现多次喷发,流向长度比较大(一般为500个壁面尺度以上),流向涡诱导的喷发(图3)基本上和流向涡结构垂直,但随着低速流体逐渐远离壁面,脉动速度和壁面之间夹角逐渐减小,成为流向脉动为主的喷发。另外,在DPIV实验数据库中还发现,在壁面附近存在没有涡诱导的流向低速条带。由于没有涡的诱导,该结构始终位于壁面附近(y+<35),没有发生类似喷发那样强烈的湍流运动,由此可见涡的诱导作用是低速流体喷发的必要条件。3.2.2扫掠的发生和来源相对于喷发来说,扫掠的流向尺度小的多,根据观察,一般不超过200个壁面尺度。扫掠事件也可以分为两种情形:起源于核心区的扫掠和壁面附近的扫掠,从本文的实验结果看,两种扫掠之间没有明显关系。起源于核心区的扫掠(图4),在扫掠开始时,径向脉动速度是主要的,然后流体在自身动能的推动下向壁面运动。在向壁面运动过程中,高速流体的脉动速度和壁面之间的夹角逐渐减小,最后在壁面附近形成几乎和壁面平行的强烈下扫。这种情形的高速流体下扫是在自身动能的推动下进行的,涡的诱导作用不是主要因素。起源于距壁面附近区域的扫掠(图5)和前面的扫掠相比,它的流向尺度明显偏小,一般小于100个壁面尺度,而且它的起源和周向涡的诱导有关。在图5中可以看到在扫掠的下游存在一个明显的反向旋转的周向涡,在此周向涡的诱导作用下,来自外区的高速流体在向壁面运动的同时,和壁面之间的夹角迅速减小,最后在非常靠近壁面处以几乎和壁面平行的方向运动。3.2.3准水流涡流的出现在湍流边界层壁面附近,流向涡是一种普遍的流动结构。在二维DPIV实验数据脉动速度场的近壁区域中也可以推断出存在流向涡结构(图6,该图为该流向结构通过测试区域形成的时间序列),从图中可以看出在y+=10～60的区域内存在一个流向抬起的结构。该结构具有如下特征:(1)脉动速度矢量和结构的轴线(图中粗黑线所示)近似垂直;(2)在结构的前端有一个明显的周向湍涡(图6(a));(3)在结构的末端存在一个椭圆型的湍涡(图6(f))。根据以上结构特征推断该结构可能是发卡涡(图7)的准流向涡部分在实验截面上形成的流动图案。首先,根据结构的以下特征推断该结构为一准流向涡管。(1)在图6(a～f)中从结构末端向前看,整个结构为一整体(包括末端的椭圆型湍涡),结构成流向分布。(2)结构末端的椭圆形湍涡说明存在一个和实验截面斜交的涡管,而且该涡管和流向结构(图6(a～f))为一整体,这说明该流向结构为一涡管。(3)结构区域内的脉动速度和结构轴线近似垂直,这和流向涡的诱导速度分布比较吻合。这在后面圆管湍流的DNS数据中得到了证实。下面进一步推断该准流向涡管为发卡涡腿部:(1)该涡管为一流向逐渐抬起的涡管,而且随着流向的推移,抬起的角度逐渐增加。这和发卡涡腿部特征吻合(见图6(a～f))。(2)结构的主体和r-x平面近似平行,在结构末端非常靠近壁面处(y+=12)和r-x平面相交,这和发卡涡的腿部特征非常吻合(见图6(f))。(3)在图6(a)中结构前端存在一个和发卡涡头部周向涡旋转方向一致的周向涡。总体说来,图7所示情况下的发生涡在r-x平面(图中的片光平面)中形成的流动图案和实验中二维情况下测得的结果非常相似。因此我们推断实验中观测到的流向结构为图7所示的发卡涡的流向涡部分。为了进一步证实前面二维实验中准流向涡推测的正确性,在圆管湍流直接数值模拟数据库r-x平面内中找到和实验结果类似的结构(图8中y+=8～25的区域)。通过分析对应的数据中r-θ平面(垂直轴线的平面)内的脉动速度分布显示该流动结构为如图9所示的两流向涡(A和B)相互作用的结果,这也从数值模拟的角度证明了前面对准流向涡推断的正确性。4近壁区域内发生的诱变作用本文利用DPIV技术得到了充分发展圆管湍流的实验数据库。统计结果表明,本实验结果在非常靠近壁面处(y+<8)以外的区域达到了相当高的精度,并且比文献中的DPIV结果有比较明显的改善。通过分析我们可以得出:(1)在近壁区域内,低速条带和涡的诱导作用是壁面喷发的必要条