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1、北京大学学报(自然科学版),第41卷,第1期,2005年1月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,Vol.41,No.1(Jan.2005)二维单一粗糙元对边界层转捩影响的实验李轶明 颜大椿(北京大学力学与工程科学系,北京,100871)摘 要 在风洞中对水平光滑平板以及加有粗糙元平板的边界层转捩进行了测量与研究,比较了不同情况下平板边界层内由振动梁激励生成的T2S波沿流向和法向强度的分布规律,得到了相应的振型、增长曲线以及中性曲线。实验中发现与光滑平板边界层的下端开放式的
2、拇指型中性曲线相比较,有粗糙元平板的中性曲线为封闭式的环形曲线,随着粗糙元高度的进一步增加中性曲线收缩为更小的闭合环。关键词 粗糙元;转捩;T2S波中图分类号 O357150 引 言平板表面粗糙元对转捩具有重要影响,Liepmann进行了垂直于流向的半圆柱对转捩影响[1]的详细研究,实验中发现流动会因粗糙元的存在而出现分离,当粗糙元的高度与当地边界层33位移厚度相当时(k>0192δ,其中k为粗糙元高度,δ为当地边界层位移厚度),转捩会在粗3[2]糙元下游立即发生,而当k=0176δ时流动仍然保持层流流动。Fage在同类实验中得到了
3、不同形状的粗糙元使得转捩立即发生的临界高度。Tani、Hama和Mituisi应用半圆形丝线作为[3]粗糙元进行了实验得到了粗糙元高度、粗糙元位置和转捩发生位置之间的相互关系,Dryden3根据量纲分析的结果选取kPδk作为一个独立的且具有物理意义的无量纲参数,对他们的实3[4]验数据进行了重新分析并得到转捩位置Ret与kPδk之间的关系。在接下来Tani、Iuchi和[5][6]Yanamoto的实验以及Feiudt的实验中,来流湍流度作为一个重要因素被考虑在内,以光滑3平板转捩位置(Ret)0对粗糙表面转捩位置进行修正,得到不同
4、湍流度下RetP(Ret)0与kPδk之间的关系曲线,实验中发现在高湍流度情况下转捩位置的变化随粗糙元高度的变化不敏感。[7]三维粗糙元对转捩的影响同样受到关注,在Klebanoff、Schubauer和Tidstrom的实验中得到了[8—10]Ret与ukkPv之间的关系。近年来,一些研究工作从粗糙元对边界层内局部湍流度的影响出发,分析转捩提前的机制。综上,前人对粗糙平板的研究集中在不同形状、不同位置的粗糙元对转捩位置的影响上,而在机理方面的研究较少。由层流向湍流的转变是一个由稳定到不稳定转变的过程,线性不[11]稳定性理论是研究
5、边界层转捩的重要工具,T2S波的发展过程直接关系到转捩的发生。本实验以线性小扰动理论作为实验的理论基础,对T2S波在粗糙平板边界层内的发展过程进行 收稿日期:2003209226;修回日期:200321120370 第1期李轶明等:二维单一粗糙元对边界层转捩影响的实验 了细致的研究,从稳定性的角度对这种情况下的转捩过程进行分析,得到的实验结果是对前人实验的补充。1 实验装置本实验在北京大学力学与工程科学系实验流体力学实验室环流式闭口二元风洞中进行。风洞实验段长、宽、高分别为210、013、116m,实验段的前端为内壁光滑的收缩段,其
6、收缩比为9∶1,收缩段前部为双层金属丝阻尼网,高收缩比、双层阻尼网都有效地降低了来流的湍流度,为研究边界层转捩提供了有利的实验条件。实验段左右侧壁沿流向有一定的扩张角,其主要作用是用来消除由于壁面边界层引起的主流速度的变化,使气流通过实验段保持恒定的速度。风洞的风速由可控硅系统进行控制,实验段风速的调节范围为0～30mPs。来流风速可通过美国MKS公司生产的PDR2C22型数字式差压计对收缩段前后压差进行测定。实验段两侧洞壁上分别固定有一根角钢,长2m的平板被水平安装在角钢上,平板底面距实验段下洞壁800mm。平板长、宽、高分别为2
7、000、300、15mm,表面为光滑的铝合金板。为避免气流经过平板前缘形成分离,前缘为过渡平缓的半椭圆柱。为了研究单一频率的T2S波的特性,在距平板前缘150mm处安装一根震动梁,由信号发生器产生的正弦电压信号通过功率放大器加到震动梁两端,在布置在平板另一侧的永久磁铁产生的磁场作用下,震动梁产生单一频率的震动,震动的频率和振幅可由信号发生器控制。粗糙元为直径212和312mm的金属丝线,安装在距平板前缘300mm处的平板表面上。实验装置如图1。2 实验结果211T2S波沿法向的振型分布由于粗糙元的引入,流动必然产生分离。为了分析粗糙
8、元下游的流动状态,在粗糙元高度为312mm时3(即kPδ=112),使用单丝热线在距平板前缘330mm(粗糙元下游30mm)处,沿法线方向测量不同位置速度信号的时均量,得到该处速度的分布廓图1 实验装置图线(图2)。实验得到的速度分布
