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文檔簡介
1、天津大學博士學位論文剪切剪切湍流湍流時空時空相關函數(shù)模型的相關函數(shù)模型的PIVPIV實驗研究實驗研究PIVInvestigationofSpacetimeCrelationModelinShearTurbulence一級學科:力學學科專業(yè):流體力學作者姓名:王維指導教師:姜楠教授天津大學機械工程學院二零一五年五月I中文中文摘要摘要相關函數(shù)是湍流研究中基本的統(tǒng)計工具,是湍流統(tǒng)計理論和湍流模型中必不可少的組成部分,具有重要的理論價值和實際的
2、應用意義。這其中時空相關函數(shù)包含了湍渦運動完整的時間和空間信息,但其復雜性使得有關研究并不多,而且難以通過實驗獲得完整的數(shù)據(jù)。但對湍流的分析經(jīng)常要在空間和時間維度間轉換,使得研究者不得不面對兩者間的變化問題。經(jīng)典的方法是Tayl凍結假設,通過一維線性關系聯(lián)接起時間和空間維度。Tayl假設過于簡單的線性關系雖然使得其應用很便捷,但是不能準確的代表湍流中真實的時空尺度轉化,也沒有反映出湍流的全部時空運動特征。Tayl假設的有效性也需要很多前
3、提條件,使得其只能在部分流動中成立,而在更普遍的湍流環(huán)境中強行使用只會帶來明顯的誤差。針對此問題一種新的時空相關函數(shù)模型——橢圓近似假設被提出。假設將時空相關函數(shù)由一階Tayl級數(shù)展開擴展到二階精度上,并結合Kraichnan的隨機掃掠假設,引入新的掃掠速度參數(shù)使模型能夠考慮到湍渦運動在流場中的變形衰減對時空相關函數(shù)的影響。橢圓近似假設提出后已經(jīng)得到了一些實驗和數(shù)值仿真的驗證,但是數(shù)據(jù)大都來自于簡單的均勻湍流或是接近各向同性的熱對流。本
4、文的工作是首次在真實的各向異性平板湍流邊界層中實驗驗證假設,擴展假設的應用范圍。然后在波形壁面湍流邊界層中探索假設的局限性,最后通過研究模型中的關鍵參數(shù)來加強理解假設本身。驗證和擴展研究結合典型湍流邊界層相干結構的研究,尤其是相干結構的遷移、變形和衰減等對相關函數(shù)有貢獻的核心問題。研究工作所需數(shù)據(jù)分別來自層析PIV測量的平板湍流邊界層三維全分量速度場和二維PIV測量的波形壁面湍流邊界層平面速度場。平板湍流邊界層的分析表明弓形渦、弧形渦和
5、發(fā)卡渦等作為流動的主導結構,對周圍流體有著重要的誘導作用,使流場中產(chǎn)生相關性很強的流向大尺度條帶,同時受到誘導的流體也改變了結構周圍的環(huán)境,兩者的相互作用參與了湍流的動力學發(fā)展,從而對相關函數(shù)產(chǎn)生影響。流向脈動速度的二階時空相關函數(shù)的分布符合橢圓近似假設的預測,表明橢圓近似在剪切壁湍流中同樣生效。相關等值線擁有橢圓近似假設的兩個特征——所有橢圓等值線擁有同樣的傾斜角度和長短軸比值。相較于Tayl假設,橢圓近似假設不僅反映出結構的遷移,而
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