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壁湍流相干结构的时间空间测量

夏振炎  田砚  常跃峰  姜楠  
【摘要】:湍流广泛存在于自然界和工程实际中,是流体力学研究中至今尚未解决的难题。壁湍流是典型的剪切湍流,近壁区流场中的相干结构其发生、发展机理仍未搞清楚。从实验角度看,PIV技术作为新的无接触测量手段,能提供空间流场信息,较热线和热膜的单点接触测量更具优势,已经在射流、尾流和湍流研究中得以应用,但是对于壁湍流相干结构的实验研究到目前还比较少,尤其是在高时间分辨的壁湍流相干结构的时空测量方面。本文采用基于高帧率的Tr-PIV测量技术,对水槽中水平放置的平板形成的壁湍流流场,进行时间和空间的测量和分析。采用1.5W半导体激光器自顶向下垂直照射水槽,形成1ms厚的激光片光并与流场流动方向平行,高速相机水平放置,与激光片光平面垂直,连续拍摄片光范围内的布有示踪粒子的流场。利用MircroVec商用PIV软件对实验图像进行分析处理,该软件使用了变形窗口等先进算法,提高了测量精度。经过对流场的分析,得到了壁湍流相干结构的空间结构分布和随时间演化的历程,发现近壁区广泛存在的顺时针展向涡,是引起近壁湍流产生的重要结构,在远离壁面的流场中展向涡以逆时针旋转为主。通过对壁湍流相干结构发生机理的研究,表明利用高速相机开展对壁湍流的时空演化测量和分析是一种有效的研究手段。

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