壁湍流相干结构及超疏水壁面减阻机理的PIV实验研究

发布时间：2025-03-29 21:53

　　相干结构被公认为是湍流中最重要的结构,它对湍流的产生、维持、演化和发展起着重要作用,同时具有重要的工程应用和学术研究价值。本文以壁湍流相干结构为研究核心,综合运用Stereo-PIV、Tomo-PIV和TR-PIV等先进的流体力学实验技术,研究了以下三个相关问题:其一,定量测量了真实三维发卡涡结构;其二,分析了高低速条带流向间隔区域局部流场的流体动力学规律;其三,从相干结构的角度探究超疏水壁面湍流减阻的减阻机理。研究过程中对发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的空间结构分布特征、发展演化规律及其内在的流体动力学机理进行了深入的分析。本文运用Stereo-PIV锁相实验,成功地对合成射流装置在边界层流场中产生的三维发卡涡结构进行定量测量,并按相位重构出一个完整合成射流周期内产生的发卡涡三维结构。通过对三维发卡涡结构的分析,不仅实验验证了人们对发卡涡结构已有的认识,还有一些新的发现:发卡涡涡腿间喷射流体与外界环境流体间形成一个较薄的展向涡量集中的区域,是流体强剪切的区域;相邻发卡涡的两个涡腿或单个发卡涡涡腿外侧是高速流体区域,发生扫掠事件;展向脉动速度体现两层分布的特性,两个反向旋转涡腿结构靠...

【文章页数】：144 页

【学位级别】：博士

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中文摘要
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字母注释表
第一章 绪论
    1.1 壁湍流研究进展
        1.1.1 壁湍流边界层分层模型
        1.1.2 壁湍流相干结构
        1.1.3 湍流边界层中涡旋结构及其识别方法
        1.1.4 壁湍流减阻概述
    1.2 超疏水壁面减阻的研究进展
        1.2.1 超疏水壁面基础理论
        1.2.2 超疏水壁面层流减阻与湍流减阻
    1.3 本文主要工作及框架
        1.3.1 本文主要工作
        1.3.2 本文结构框架
第二章 实验设备与PIV测试技术
    2.1 实验设备与装置
        2.1.1 循环式水槽
        2.1.2 合成射流技术简介
        2.1.3 具有层级结构的超疏水壁面
    2.2 PIV实验技术
        2.2.1 2D-PIV技术
        2.2.2 Stereo-PIV技术
        2.2.3 Tomo-PIV技术
第三章 发卡涡三维结构的实验测量
    3.1 研究目的
    3.2 人造发卡涡的主要生成方法
    3.3 实验介绍
        3.3.1 实验方案与分析方法
        3.3.2 实验设备
        3.3.3 实验流程
    3.4 实验结果与讨论
        3.4.1 全局流场分析
        3.4.2 单发卡涡流场的锁相平均特征
        3.4.3 单发卡涡结构的流体动力学行为
        3.4.4 发卡涡结构向下游的迁移变化
    3.5 本章小结
第四章 高低速条带间隔区域的局部拓扑动力学模型
    4.1 研究目的
    4.2 实验介绍
    4.3 数据分析方法
    4.4 结果与讨论
        4.4.1 局部流场拓扑结构及动力学分析
        4.4.2 局部流场“三发卡涡”动力模型
    4.5 本章小结
第五章 超疏水壁湍流减阻机理研究
    5.1 研究目的
    5.2 实验介绍
        5.2.1 实验设备及装置
        5.2.2 TR-PIV实验方案
    5.3 分析方法
        5.3.1 涡核辨识和显示方法
        5.3.2 条件采样和拓扑平均算法
        5.3.3 互相关算法与流场互相关
    5.4 结果与讨论
        5.4.1 湍流统计量
        5.4.2 流展向zx-平面相干结构的拓扑结果
        5.4.3 流法向yx-平面相干结构的拓扑结果
        5.4.4 相干结构在yx-平面随时间的发展演化
    5.5 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 主要结论
    6.2 本文创新点
    6.3 工作展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢



本文编号：4037699