柔性壁面湍流减阻机理与多尺度相干结构控制的实验研究.pdf

第20卷 实 验 力 学 V01．20 2005拄 JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICS 2005 柔性壁面湍流减阻机理 与多尺度相干结构控制的实验研究+ 王玉春，姜 楠，舒 玮 (天津大学力学系，天津300072) 摘要：用热膜测速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率，精细测量了水槽中刚性壁面和柔 性壁面平板湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号，利用湍流边界层近壁区域 的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体粘性系数、壁面摩擦切应力等内尺度物理量的关 系，在准确测量湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上，通过非线性迭代求解壁面 摩擦速度以及湍流边界层壁面摩擦切应力。结果表明：柔性壁的湍流边界层速度分布在对数律 层有所上移，缓冲层增厚，说明柔性壁面具有一定的减阻作用。 利用湍流多尺度局部平均结构函数的概念和多尺度局部平均结构函数的瞬时强度因子、平 坦因子检测多尺度相干结构及其间歇性的方法，提取了湍流边界层多尺度相干结构的条件相位 平均波形。对比研究了刚性壁面和柔性壁面平板湍流边界层近壁区域多尺度相干结构的条件 相位平均波形及其间歇性的统计特征，分析了柔性壁面具有减阻作用的物理机理。 关键词：壁湍流；多尺度相干结构；壁面摩擦阻力；柔性壁；减阻 中图分类号：0357 文献标识码：A 1 引言 湍流边界层相干结构理论的研究表明：控制边界层中大尺度的相干结构运动，可以达到控制湍流的 目的；抑制猝发的发生，可能会抑制湍流量的生成，从而达到减少流动阻力的目的口~3]。为此，人们尝试 了多种流动控制方法，其中比较典型的是柔性壁方法。 上的实验表明，柔性壁面和流体处于同步波动时能导致粘性次层厚度的增长，从而使外层流体速度分布 平移。 本文对乳胶制成的柔性壁面的湍流边界层的减阻机理进行了实验研究，用热膜测速仪以高于对应 最小湍流时间尺度的分辨率，精细测量了水槽中刚性壁面和柔性壁面平板湍流边界层不同法向位置流 向速度分量的时间序列信号，利用湍流边界层近壁区域的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体粘 性系数、壁面摩擦切应力等内尺度物理量的关系，通过非线性迭代求解壁面摩擦速度以及湍流边界层壁 面摩擦切应力。利用湍流多尺度局部平均结构函数的概念和多尺度局部平均结构函数的瞬时强度因 子、平坦因子检测多尺度相于结构及其间歇性的方法，提取了湍流边界层多尺度相干结构的条件相位平 均波形。对比研究了刚性壁面和柔性壁面平板湍流边界层近壁区域多尺度相干结构的条件相位平均波 形、强度及其问歇性的统计特征，分析了柔性壁面具有减阻作用的物理机理。 *通讯作者：王玉春，天津大学机械工程学院。E—mail：ww981218@126．com 实验 力 学 (2005年)第20卷 2 实验设备与测量技术 本实验的测量是在SZ一2型开口循环式水槽中进行的，水槽槽体由有机玻璃制成，可分为实验段、拐 制成，粘贴在平板上，长32cm，宽14cm，厚3mm。 使用前，先采用TSI一10180型水探针校准器进行标定，以获得电压速度关系曲线。 卡A／D转换精度为12位，在三个来流速度下分别对刚性壁和柔性壁进行了测量，测点位置选择距离平 连续采集约51秒，数据量为1048576。数据采集系统和数据的后期处理由自编软件完成。 3 测量结果 3．1 平均速度剖面和壁面摩擦阻力 湍流边界层近壁区域的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、粘性系数等内尺度物理量有关： 矿=Alny++B (1) 其中，“+=岩，了+=号}，U为平均流速，Y是法向位置坐标，到是运动粘性系数，甜。为壁面摩擦速度， 它与壁面摩擦切应力气的关系为： r。一似： (2) 而壁面摩擦