近壁方柱尾跡非定常特性的實驗研究及本征正交分解分析.pdf

1、近壁方柱繞流是在化工、航空、動力機械、電子、能源和石化等工業(yè)領域廣泛存在的一種現(xiàn)象。研究近擘方體繞流的意義小僅在于其應用較為廣泛，還在于相關流動分離、再附、旋渦脫落等現(xiàn)象在近壁干涉作用下所表現(xiàn)出來的復雜特征具有很強的理論意義和學術價值。
　　 本文首先在風洞實驗臺上，綜合采用速度和壓力動態(tài)信號測量技術，對不同間隙比下的近擘方柱尾跡非定常流場進行測量。通過多種數(shù)據(jù)處理方法分析了不同間隙比時尾跡流場的非定常特性，揭示了壁而對近壁方柱

2、尾跡流場的影響。然后在水槽實驗臺上，采用高分辨率PIV和時間分辨PIV等先進流動測量技術，考察了低雷諾數(shù)下壁面對近壁方柱尾跡流場的影響。通過時均速度場、脈動速度場和渦強度場的比較分析，進一步揭示了近壁干涉作用對尾跡流場結構、旋渦脫落特性以及旋渦結構特性的影響。
　　 本文發(fā)展了用于湍流相干結構分析的本征正交分解技術，并建立了一套完整的模態(tài)分析方法。本征正交分解技術能夠有效地捕捉流場中相干結構的信息，本文將其運用到壁面脈動壓力場和

3、尾跡速度場的分析中，獲得了壁面脈動壓力場和尾跡速度場的特征模態(tài)，通過對特征模態(tài)及其系數(shù)的探討，進一步揭示了壁面對近壁方柱尾跡中大尺度旋渦結構時空特性的影響。本文提出了一種用于POD濾波時判斷截斷階數(shù)的方法，利用該方法進行流場低階重構可以獲得明顯的濾波效果，同時能夠較完整地保留流場中大尺度結構的信息。
　　 風洞實驗結果表明：在G/D=0.25時，旋渦脫落被抑制，而在G/D=0.5時仍有旋渦脫落產(chǎn)生，臨界間隙比介于G/D=0.25

4、-0.5之間。水槽實驗結果也表明，臨界間隙比介于G/D=0.2-0.4之間，這一臨界間隙比與前人的結論基本一致。
　　 隨著間隙比的減小，近壁干涉作用加劇，下剪切層內(nèi)的流動受壁面的影響越來越強烈，旋渦結構的能量也不斷被削弱；當間隙比低于臨界問隙比時，上下剪切層因旋渦結構能量懸殊而無法形成耦合關系，最終導致旋渦脫落被抑制。旋渦脫落抑制以后，上剪切層再附到下游壁面。風洞實驗中，G/D=0.25時上剪切層的時均再附點位于XR/D=9.

5、25，而在水槽PIV實驗中，間隙比G/D=0.2和0.1時的時均再附點分別位于xR/D=6.5和7.25。熱線風速儀和壁面脈動壓力傳感器均測量到，卡門渦街脫落的無量綱頻率為St=0.13，輸運速度為Uc/Uo=0.64;水槽實驗測量得到的旋渦脫落的無量綱頻率為St=0.12，輸運速度為Uc/Uo=0.55。
　　 本征正交分解分析表明：在旋渦脫落未被抑制時，流場中最具能量的結構是從方柱上下剪切層內(nèi)脫落的卡門渦；當間隙比減小到低于

6、臨界間隙比時，旋渦脫落被抑制，這時上剪切層內(nèi)的“K-H”渦成為流場中的主導結構。這種旋渦結構的能量較弱，測量得到其無量綱頻率為St=0.116。從脈動壓力場本征正交分解得到的模態(tài)可知，卡門渦街的波長約為k=5D，“K-H”渦的波長略有增長，為y=5.5-6D。此外，根據(jù)TR-PIV速度場本征正交分解前兩階模態(tài)的系數(shù)，對流場進行了相位分析。在采用POD進行流場濾波時，根據(jù)模態(tài)系數(shù)的功率譜及相干系數(shù)，選擇合理的截斷階數(shù)進行流場重構，能夠最大