壁湍流相干结构猝发过程中雷诺应力的相位平均波形.PDF

中国科学 G 辑:物理学 力学 天文学 2008 年 第 38 卷 第 3 期 : 279 ~ 288 SCIENCE IN CHINA PRESS 壁湍流相干结构猝发过程中雷诺应力的 相位平均波形 ①②* ① ① ①② 姜楠 , 刘薇 , 刘建华 , 田砚 ① 天津大学机械工程学院力学系, 天津 300072; ② 天津市现代工程力学重点实验室, 天津 300072 * E-mail: nanj@ 收稿日期: 2006-11-28; 接受日期: 2007-08-20 摘要 用IFA300 恒温热线风速仪和×形二分量热线探针精细测量了风洞中 关键词 平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号. 壁湍流 用子波变换对瞬时流向、法向速度分量进行多尺度分解. 用子波分析辨识壁 相干结构 湍流相干结构猝发事件的能量最大准则检测壁湍流相干结构猝发事件的上 猝发 子波变换 抛和下扫运动; 研究了相干结构猝发过程中流向、法向速度分量及雷诺应力 雷诺应力 的条件相位平均波形的相位关系; 研究了相干结构猝发的动力学过程及其对 相位平均波形 壁湍流统计性质的影响. 在早期的湍流研究中, 湍流被看作是一种随机的现象. 20 世纪 40 年代, 随着流体力学实 验技术的发展, 能够对湍流的脉动特征进行比较深入细致的研究, 相继在尾流、射流、混合层、 湍流边界层等剪切流动中发现了相对有组织的间歇性的大尺度运动 [1,2], 这种大尺度运动的强 度、尺度和结构形态对于同一类型的流动具有普遍性和可重复性, 因而被称为相干结构或拟序 结构 [3]. 1967 年, 美国斯坦福大学的Kline小组 [4]对湍流近壁区条纹结构进行地全面细致的观 测工作标志着开始对湍流近壁区相干结构进行系统的研究. 此后, Corino等人 [5], Kim等人 [6]和 Smith等人 [7]发现低速条纹的抬升在外区形成高剪切层, 使低速条纹发生振荡, 然后低速流体 向外区上抛、使条纹结构破碎, 接着一股来自外区的高速流体下扫冲入内区, 使由条纹破碎引 起的紊乱流动变得比较平稳, 并将这一系列的过程称为相干结构的猝发. 至此, 相干结构的猝 发过程作为抬升—振荡—上抛—下扫的往复拟序过程开始呈现其全貌. 相干结构的猝发过程 在局部时空范围内对湍流的产生和雷诺应力具有很大的贡献, 其中上抛和下扫是猝发中最重 要的典型过程. 相干结构的发现是湍流研究中的一次重大突破, 使对湍流本质的认识从完全 随机无序的阶段进入到无序和有序并存的新阶段. 现在相干结构已经被公认为是湍流中最重 要的结构. 它对湍流的产生、维持、演化和发展起着重要的作用. 开展湍流相干结构的理论和 279 姜楠等: 壁湍流相干结构猝发