文档介绍：天津大学
博士学位论文
湍流边界层沟槽壁面减阻机理的实验研究
姓名:常跃峰
申请学位级别:博士
专业:流体力学
指导教师:姜楠
20080801
中文摘要关键词:沟槽,减阻,湍流边界层,多尺度相干结构,流动控制,热线测速,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,、籘、籘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’、’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。氢气泡流动显示
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⋯一虢和茄先签字日期:歹赙夕月,日学位论文版权使用授权书独创性声明或撰写过的研究成果,也不包含为获得基鲞盘堂或其他教育机构的学位或证本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘堂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。同意学校导师签名:作了明确的说明并表示了谢意。向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。C艿难宦畚脑诮饷芎笫视帽臼谌ㄋ得
第一章引言湍流研究概述湍流是指黏性流体禾濉⑵濉⒌壤胱犹宓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。自年英国物理学家雷诺由实验提出湍流这一基本流动形态以来,已有一百多年的历史,但其基本的机理和规律至今还不是完全清楚。由于对湍流的正确认识将直接影响到对自然环境和工程的预报,因此开展湍流研究对于认识和改造自然,解决众多工程技术难题,促进科学技术进步具有重大的意义:湍流研究的成果必将在国防及国民经济的诸多领域,如航空、航天、兵工、国防、交通、运输、水利、能源、化工、冶金、轻工、机械、环境、海洋、建筑、医学、生物工程等领域,引起重大的科学技术进步或产生深远影响。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非线性的混沌系统,它与物理、化学、生命科学、甚至社会科学等许多学科的一大类现象有共同的特点,在数学上也有共同的描述方法,因此湍流研究的突破,也将推动许多相关基础学科的发展,使人类对自然界的认识水平产生重大的飞跃。由于在湍流研究中存在着理论及实验技术方面的困难,因此湍流的研究相对于层流要复杂很多。湍流理论的发展经历了几个时期。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,建立了以求解湍流物理量统计平均值为主要目的的湍流模式理论。雷诺将湍流运动分解为系综平均量和脉动量两个部分,但是从硕匠坛龇⒌睦着灯骄匠滩睦着涤αο畹贾铝死着灯骄匠痰牟环闭性。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,对霄诺应