壁湍流相干结构雷诺应力的涡粘性本构关系与控制

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1、第一章绪论为了进一步研究相干结构，从二十世纪七十年代初开始，许多学者进行了大量的定量研究，获得了许多很有价值的结论和结果。主要有stanford小组、Tu(1966)⋯1、Rao(1969，1971)⋯⋯、KiⅢ(1971)、Laufer(1971)120等人用流动显示方法得到不同雷诺数下的平均猝发周期。Rao(1971)和KiⅢ(1971)也使用热线测速仪．并提出了各自的检测方法，他们的结果与K1ine(1967)等的结果基本一致。图1．1氢气泡线流动显示发现的湍流中大尺度涡结构运动第一章绪论1．2．2壁湍流相干结构的实验测量壁湍流相干结构是一个可以识别的重复出

2、现的流动过程，在这个流动过程中，流向脉动速度信号以并非严格意义上的一定典型过程演变和发展，这种可重复出现的典型过程具有拟周期性和间歇性。因此，可以通过测量湍流边界层的近壁区域的脉动速度和脉动温度等物理量的空间或时间序列信号，总结出相干结构的基本特征，以此为根据制定相应的判定准则，依据这个判定准则检测相干结构，提取出相干结构的条件平均波形，这个方法称为条件采样方法。自从Kavasznzy(1970)乜41在湍流边界层外区结构检测中运用了条件平均的方法后，这一方法在湍流猝发的检测和研究中得到了很快的发展和广泛的应用，并随之出现了许多检测猝发信号的条件采样方法。可以规定

3、一个检测函数D(t)，当湍流信号中含有相干结构的信号成分时，D(t)=1，输出采集的湍流信号；否则，D(t)=0，停止输出采集的信号。这些方法虽然判据各不相同，但都是根据流动显示观测到的现象与探头测量到的脉动信号的关系而制定其检测标准。由于侧重方面和标准的不同以及各自对于猝发过程的理解不同，判断会有很大的差异，检测结果也因而各不相同。目前常用的条件采样方法主要有：修正的速度门限法(叫一level法)，变间隔时间平均法(VITA)法，象限分裂法。1．修正的速度门限法(舢一level法)Luchik等(1979)瞳目提出了修正的速度门限法(mu一1evel)法，他们提

4、出的检测函数为：D(f)：{1认屯∥(1—2—1)一【o“≥一o．25L“’与先前的u一1evel法一样，￡是一个门限值，所不同的是增加了后面的一个条件。在这一条件时的那些满足“<一三“7，但后来未达到“≥一O．25三“’的信号被检测进来，而那些开始满足“≥一0．25三“’但后来并不满足仄一￡“’的信号不被检测进来，从而大大减少了误判和漏判。2．变间隔时间平均法(ⅥTA)法变间隔时间平均法(VaryingIntervalTimeAverageMethod，简称VITA)是B1ackWelder(1976)乜61提出并由Johansson加以补充和完善的，这一方法的

5、检测函数如下：烈垆j·Io珐似嘞≥彬俐》o(1_2-2)otherWise6第一章绪论其中k为某一门限值，一般取值1．2～2．0，“’是流向脉动速度的均方根值。V缸“(f))称作短时间平均下的流向脉动速度的方差，其定义为：名如。，，=；j霉I。，】2出一BJ=主“@，司‘c1—2—3，其中T为短时间平均的周期。可以把V锄(f)看作是短时间平均脉动动能的一种尺度，而u’={魄÷尊u(t)】2dt}2表示长时间平均脉动动能，检测条件Var(u(t))≥Ku以表示相干结构经过测量点时短时间平均脉动动能大于长时间平均脉动动能，因此，VITA法认为湍流的相干结构是一种低频成

6、分，相干结构对脉动动能具有很大的贡献，用短时间平均(相当于1／T低通滤波)使其(相干结构)得以保留。3．象限分裂法：以流向脉动速度“为坐标，法向脉动速度y为纵坐标，构成包含四个象限的￡，一y像平面，用测量两个流速的测速仪(如x型热线探头或者二分量激光测速仪)测出同一瞬时的“矿瞬时值，然后根据其符号按照四个象限分类：I：口／>0，痧0；II：仄0，痧O；III：仄O，灭O；IV：痧0，必0。检测函数定义为：础，=亿m搋糍m2川其中H为某一门限值，l“vI：是第二象限的“1，绝对值，“7，v’分别是“，’，的均方根值。象限法的主要依据是：壁湍流相干结构的主要特征是在流

7、场较小的时间范围内对雷诺应力的贡献很大，而在四个象限的分类中又以第二象限的贡献最大。因此，当探头接触I“1，I，>H“～7的流体时，就可以认为它是相干结构。门限值H是一个经验值，一般取1～4．5。在各种条件采样检测方法中，不同的检测方法得到的结果不尽相同。即使相同的流动条件和设备，应用不同的检测函数得到的结论也会不同，有时甚至结果非常分散。例如Brodkey(1974)，(1977)‘271，Simpson(1976)㈨，Blackwedler(1977)乜们用同一套设备进行实验，但是他们各自应用的检测方法不同，所得结果非常分散。这说明人们对如何辨识猝发还没有一个

8、统一的认识