基于热对流的风洞中壁面加热平板湍流边界层速度分量的精细测量.docx

基于热对流的风洞中壁面加热平板湍流边界层速度分量的精细测量 流量是自然界和技术中广泛存在的一种极其复杂的流量流动现象。同时，它也是一个尚未解决的技术和经典物理问题。许多技术问题与水流密切相关。此外，许多热物理工程的问题也与水流密切相关。例如，加强热容量、交换燃烧中的热交换和喷管的无序加热等。 在早期的湍流研究中,湍流被认为是流体质点的完全随机运动,雷诺(1895)将不规则的湍流场分解为平均场和不规则的脉动场,从而将研究的重点引向湍流脉动特性.20世纪中叶,随着流体力学实验技术和计算机技术的迅速发展,能够对湍流的脉动特性进行比较深入、细致的研究.通过大量的湍流实验,在射流、尾流、混合层和湍流边界层中相继发现了有组织的大尺度运动,这种大尺度运动的强度、尺度和结构形态对一定类型的流动具有普遍性和可重复性,因而被称为相干结构(亦称拟序结构). 1967年,美国斯坦福大学的Kline小组对湍流近壁区条纹结构进行的全面细致的观测工作标志着开始对湍流近壁区域相干结构进行系统的研究.相干结构的猝发过程在局部时空范围内对壁湍流雷诺应力具有很大的贡献,是壁湍流产生的主要原因.相干结构的发现是湍流研究中的一次重大突破,使湍流研究进入了一个新阶段.现在相干结构已成为公认的湍流中最重要的结构.它对湍流的维持、演化、和发展起着重要的作用,湍流相干结构的理论和实验研究,为认识湍流的本质开辟了新的途径.开展相干结构研究的最终目的是通过研究相干结构的动力学行为和规律,建立符合相干结构机理的数学模型和湍流模式,在工程中更加准确地预报湍流,探索在工程中通过控制相干结构控制湍流的有效途径.著名流体力学家Liepmann在1979年就曾经预言,可以通过控制相干结构控制湍流.现在控制相干结构已成为控制湍流的有效途径,在减小壁面摩擦阻力、降低流动噪声方面具有重要的应用前景,对于提高管道的运输效率、降低能耗等方面具有重要的工程应用价值. 湍流的脉动速度信号实际上并不是完全随机和杂乱无序的,而是由不同尺度结构的信号迭加而成的貌似随机和杂乱无序的信号.湍流脉动包含着关于不同尺度湍流结构非常丰富的信息,对湍流脉动速度信号所包含的不同尺度的信息进行深入研究,需要将湍流脉动速度信号进行分解成不同尺度的结构.最近的湍流高精度实验测量和高精度直接数值模拟结果表明,在湍流的不同尺度结构中,同样存在着相干结构,条件相位平均结果表明,它们的发展和演化过程具有共同的特征,剪切湍流中的多尺度相干结构对湍流的间歇性产生重要影响. 1 子波函数的密度 子波分析是近几年发展起来的一种新的信号分析方法,通过信号与一个被称为子波的解析函数进行卷积,将信号在时域与频域空间同时进行分解,在不同尺度上观察信号中不同时刻的局部多尺度行为,对湍流多尺度局部结构检测具有明显的优势.作为一种新的数学工具,子波变换可以代替条件采样方法检测和提取壁湍流相干结构. 设一维湍流信号u(t)相对于子波函数Wab(t)的子波分析定义为 Wu(a?b)=+∞∫-∞u(t)ˉWab(t)dt(1) 其中,子波函数族Wab(t)是由子波的母波函数W(t)经过平移(位置参数b)和伸缩(尺度参数a)变换而来 Wab(t)=1√aW(t-ba)(2) 子波母函数具有消去性,从而子波函数也具有消去性 +∞∫-∞W(t)dt=0(3) 公式(3)说明子波函数是一定尺度下局部范围内的振荡,其整体平均值为零,即局部振荡幅值必须有正有负,但正值和负值总的绝对值必须相等.虽然子波母函数的具体表达形式可以不尽相同,但所有子波函数都具有上述共同性质. 对湍流信号u(t)进行确定位置b、确定尺度a的子波分析就相当于对u(t)中以b为中心、长度为2a的一段信号t∈[b-a,b+a]与一定性状的子波函数Wab(t)进行尺度范围为2a的局部振荡加权互相关分析,如果其相关性高,表明该信号在该处含有该子波函数性状的相干结构成分,使得信号在该处与该形状的子波函数具有较好的相似性.其中子波函数在各点的函数值为权值,权值有正有负,但总权值之和必须为零.另一方面,由于子波函数在各点的函数权值有正有负,但总权值的和为零,湍流信号u(t)的子波系数Wu(a,b)还表示湍流信号u(t)在局部时刻b和一定尺度2a范围内的局部平均变化的程度.根据子波函数种类和性状的不同,对于反对称或近似反对称形状的子波函数,如Harr子波、Gaussian的一阶导数,Wu(a,b)表示湍流信号u(t)一阶(奇数阶)局部平均变化,类似于一阶(奇数阶)?u?t导数在一定尺度范围内的局部平均值;对于对称或近似对称形状的子波函数,如Mexican Hat子波和French Hat子波,Wu(a,b)表示湍流信号u(t)二阶(偶数阶)局部平均变化,类似于二阶(偶数阶)?2u?t2导数在一定尺度范围内的局部平均值.