后向臺階湍流分離流動中的三維低頻擺動研究.pdf

1、邊界層的分離和再附存在于很多工程應(yīng)用領(lǐng)域，并被廣泛研究。由于剪切層的K-H不穩(wěn)定性，在流動分離后的初始部分剪切層內(nèi)會自然卷起大尺度流動結(jié)構(gòu)，這個過程與幾乎不受下壁面影響的自由剪切層類似，通常被稱之為剪切層模態(tài)（Shear Layer Mode）。剪切層結(jié)構(gòu)沿著剪切層繼續(xù)配對并融合，而其特征頻率不斷減小直到剪切層再附到壁面上。融合后的結(jié)構(gòu)在附著區(qū)的運(yùn)動過程被稱之為臺階模態(tài)（Step Mode or Preferred Mode）。在分離區(qū)

2、的中間區(qū)域有一個大尺度結(jié)構(gòu)周期性的長大然后向下游脫落。大尺度結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)周期性過程也被當(dāng)作渦脫模態(tài)（Shedding Mode or Wake Mode）。部分研究認(rèn)為大尺度結(jié)構(gòu)的渦脫運(yùn)動可能是由剪切層的整體低頻擺動引起的，但沒有給出任何證據(jù)來證明。
　　本文使用實(shí)驗(yàn)方法對后向臺階流動中剪切層整體的非定常低頻擺動與非定常渦脫運(yùn)動之間的聯(lián)系進(jìn)行了研究。在臺階下游底板上沿流向安裝了麥克風(fēng)陣列測量壁面脈動壓強(qiáng)，同時使用沿展向布置的單絲熱線陣

3、列在分離區(qū)域多個不同的位置對流場的速度進(jìn)行同步測量。通過壁面脈動壓強(qiáng)的POD分解發(fā)現(xiàn)，脈動壓強(qiáng)的均方根值有超過70%是由平均再附點(diǎn)附近大尺度剪切層結(jié)構(gòu)造成的，而低頻擺動所占的比例小于15%，且主要集中在x/H≤3.0的區(qū)域。展向熱線陣列測得速度的POD結(jié)果表明，剪切層內(nèi)大部分區(qū)域的運(yùn)動為展向長度尺度小于H的三維運(yùn)動。具有大展向長度尺度的運(yùn)動最開始出現(xiàn)在沿著剪切層的回流區(qū)分離泡2/3的位置，以及向上游流動的回流中。在回流區(qū)以及再附點(diǎn)位置附