学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

湍流边界层沟槽壁面减阻机理的实验研究

作　者: 常跃峰
导　师: 姜楠
学　校: 天津大学
专　业: 流体力学
关键词: 沟槽减阻湍流边界层多尺度相干结构流动控制热线测速氢气泡流动显示
分类号: O357.5
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 276次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

本文对V型沟槽壁面湍流边界层的减阻机理进行了实验研究。用IFA300热线风速仪和TSI-1211-T1.5、TSI-1240-T1.5、TSI-1243-T1.5、TSI-1244-T1.5四种型号热线探针精细测量了沟槽壁面及光滑壁面湍流边界层在不同雷诺数下、不同法向位置的瞬时流向、法向、展向速度分量的时间序列信号。利用壁湍流对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏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,测量沟槽壁面及光滑壁面湍流边界层壁面摩擦速度、壁面摩擦切应力和壁面摩擦系数,结果证明沟槽壁面使得边界层近壁区黏性底层增厚,缓冲层和对数律层上移,沟槽壁面消弱了缓冲层内与多尺度相干结构相联系的脉动速度和雷诺应力分量。将湍流多尺度相干结构的概念引入沟槽壁面湍流边界层减阻机理的研究。以湍流边界层瞬时流向脉动速度子波系数作为特征量,检测、提取了沟槽壁面及光滑壁面湍流边界层中的多尺度相干结构流向、法向、展向速度分量和瞬时雷诺应力分量的条件相位平均波形。与光滑平板相比,不论喷射过程还是扫掠过程,沟槽壁面相干结构在喷射和扫掠过程中的流向、法向、展向脉动速度分量和雷诺应力分量< u ’ v’>、< u ’ w’>幅值均明显降低,过程趋缓,时间尺度缩短。其中沟槽壁面使相干结构展向脉动强度降低最明显,使相干结构的展向动量交换减小,削弱了相干结构对湍流产生的贡献。搭建了一套包括流动显示水槽、氢气泡发生装置、数字图像采集及分析软件相结合的氢气泡流动显示实验系统。应用“帧间比较”定量分析方法,通过处理和分析水槽中近壁面区湍流相干结构的氢气泡流动显示图像,获得了平面流场中流向脉动速度、展向脉动速度和法向涡量的平面分布。研究表明,沟槽壁面使壁湍流大尺度高低速条带结构间的动量交换减小,有效削弱了壁湍流流向、展向脉动,降低了脉动动量和脉动涡量的强度。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章引言  8-26
  1.1 湍流研究概述  8-10
  1.2 壁湍流相干结构研究概述  10-16
    1.2.1 壁湍流相干结构的流动显示研究  10-12
    1.2.2 壁湍流相干结构的实验测量  12-14
    1.2.3 用子波分析检测壁湍流相干结构  14-16
  1.3 湍流间歇性与多尺度相干结构实验研究  16-18
  1.4 壁湍流相干结构控制方法概述  18-21
  1.5 选题的背景和意义  21-25
  1.6 本文的工作  25-26
第二章实验设备与测量技术  26-36
  2.1 实验设备与装置  26-28
    2.1.1 三元回流式低湍流度风洞简介  26-27
    2.1.2 光滑平板及沟槽平板测量装置简介  27-28
  2.2 热线测速技术  28-35
    2.2.1 热线风速仪原理  28-30
    2.2.2 IFA300 恒温热线风速仪  30-32
    2.2.3 热线探针以及探针校准器（Calibrator）  32-35
  2.3 三维自动控制坐标架  35-36
第三章沟槽壁湍流减阻特性的测量  36-48
  3.1 用平均速度剖面法测量平板湍流边界层壁面摩擦切应力  36-38
  3.2 光滑壁面与沟槽壁面平板湍流边界层平均速度剖面测量  38-40
  3.3 光滑壁面与沟槽壁面平板湍流边界层壁面摩擦阻力测量  40-42
  3.4 光滑壁面与沟槽壁面平板湍流边界层雷诺应力分布的测量  42-45
  3.5 沟槽壁面对平板湍流边界层脉动速度方向特性分布的影响  45-48
第四章沟槽壁面湍流相干结构控制和减阻机理的实验研究  48-72
  4.1 子波变换与湍流多尺度局部平均结构函数  48-53
    4.1.1 基于局部多尺度平均概念的速度结构函数  48-51
    4.1.2 Harr 子波变换与湍流多尺度局部平均结构函数的关系  51-52
    4.1.3 用流向子波系数检测和提取多尺度相干结构  52-53
  4.2 沟槽壁面对近壁湍流相干结构条件相位平均波形的影响  53-71
    4.2.1 沟槽壁面与光滑壁面相干结构流向速度分量条件相位平均波形  53-56
    4.2.2 沟槽壁面与光滑壁面相干结构法向速度分量条件相位平均波形  56-60
    4.2.3 沟槽壁面与光滑壁面相干结构展向速度分量条件相位平均波形  60-63
    4.2.4 沟槽壁面与光滑壁面相干结构雷诺应力分量条件相位平均波形  63-66
    4.2.5 相干结构雷诺应力分量条件相位平均波形  66-71
  4.3 本章小结  71-72
第五章流动显示图像及实验结果分析  72-95
  5.1 流动显示技术的基本原理及其发展  72-74
  5.2 流动显示实验设备及技术  74-77
    5.2.1 流动显示水槽  74
    5.2.2 氢气泡流动显示装置及仪器  74-77
  5.3 图像采集与图像分析处理技术  77-79
    5.3.1 图像采集系统  77
    5.3.2 图像处理软件  77-79
  5.4 平板湍流边界层近壁区相干结构流动显示图像处理  79-85
  5.5 沟槽与平板壁面的对照分析  85-94
    5.5.1 展向脉动速度分布比较  86-90
    5.5.2 流向脉动速度分布比较  90-93
    5.5.3 法向涡量分布比较  93-94
  5.6 本章小结  94-95
第六章结论与创新点  95-98
  6.1 主要结论  95-97
  6.2 本文创新点  97-98
参考文献  98-106
发表论文和参加科研情况说明  106-107
致谢  107

湍流边界层沟槽壁面减阻机理的实验研究

内容摘要

全文目录

相似论文