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壁湍流相干结构尺度及边界层内的SL标度律

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赵伟 李万平

华中科技大学土木工程与力学学院,武汉430074

力学学报
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国际标准刊号:ISSN 0459-1879
国内统一刊号:CN 11-2062

摘  要:

利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层中相干结构的多种空间尺度和边界层内SL标度律在不同尺度下的具体表达形式进行了实验研究.实验在两个动量损失厚度雷诺数(Reθ=628.5和Reθ=1032.9)下测量平板湍流边界层中缓冲层、对数区和外区的二维瞬时速度场.应用小波分析以及传统的统计学方法,在垂直于平板和平行于平板的平面内考察平板湍流边界层中存在的相干结构的流向和展向尺度,并与已知的相干结构尺度实验结果进行了对比分析.利用在动量损失厚度雷诺数628.5下测得的数据,对多种脉动结构(脉动速度结构等)的空间关系及其标度律进行了研究.第2项工作直接利用湍流边界层空间速度分布,对多种流场尺度结构内部的She-Leveque(简称SL)标度律及自相似律进行了验证.结果表明,各单一流场尺度结构内部,流向脉动速度u′、法向脉动速度v′及脉动涡分量dv′/dx的统计结构量均存在明显的标度律,标度指数的形式与自相似律和SL标度律均非常吻合,只是常数随流场尺度的不同而不同,且呈现一定的规律性.但对于结构量的五阶矩随距离l的研究表明,自相似律和SL标度律成立的范围并不完全一致,同时标度律成立的范围大小与流场尺度有明显关系。[著者文摘]

随着流体力学的发展和研究的深入,对边界层的研究也逐渐深入并更加细致.层流边界层中的流动情况及其成因已经研究得比较清楚,而且和实验结果也吻合得相当好,这为层流边界层的控制提供了理论和实验上的支持,使对层流边界层的控制得以实现.但相对来说,对更为实际也更为复杂的湍流边界层流动和机制的研究还很不完善,也就无法对其进行有效的控制(诸如减少阻力和改善传热等等).在湍流系统中,一般认为湍流脉动能量产生于边界层中,更进一步说就是源自边界层的底层和缓冲层这个区域.通过对边界层中速度及其功率谱数据的分析,研究者们发现湍流并不是完全随机的现象,而是有许多大尺度(时间、空间)的相干结构(也称为拟序结构)伴随其中,并在湍流的发生、发展以及能量和涡量的传输过程中发挥了非常重要的作用.相2005-05-08收到第1稿,2005-12-05收到修改稿1)国家自然科学基金资助项目(10372033).2、E-mMI:zwbayern~sina.~om .
chinese journal of theoretical and applied mechanics

分 类 号:

O357.5

文献标识码:

A

文章编号:

0459-1879(2007)01-0023-14

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[参考文献]

EXPERIMENTAL STUDIES ON SL SCALING LAW AND SPATIAL SCALES OF COHERENT STRUCTURES IN NEAR-WALL TURBULENT BOUNDARY LAYER

Zhao Wei, Li Wanping (Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract:

In this paper, a PV system is used to measure the scales of large scale coherent structures in the turbulent boundary layer of a flat plate. The streamwise and spanwise scales of coherent structures at Reθ = 628.5 and 1032.9 are obtained by wavelet analysis and traditional statistic methods. Multi-scale spatial vector distributions of u′, v′ and dv′/dx obtained by wavelet analysis in the turbulent boundary layer at Reθ = 628.5 are used to verify the SL scaling law and the serf-similarity law. It is found that at a single scale of the flow field, the three statistical structures are matched well with the SL law and the serf-similarity law, respectively, but the parameters of the SL law are not unique, but varying with flow scales. From the relation between S5, and l (the distance), inertia ranges are found not the same for the SL scaling law and the serf-similarity law, but varying also with the scale.[著者文摘]

Key words:

turbulent boundary layer, coherent structure, streamwise and spanwise scales, PIV, scaling law

收稿日期: 2005-05-08
修订日期: 2005-12-05

基金资助:

国家自然科学基金资助项目(10372033).

作者简介:

E-mail: zwbayern@sina.com.cn。

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