基于模式匹配法的明渠紊流涡结构分析-论文.pdf

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1、第24卷第1期水科学进展Vo1．24．No．12013年1月ADVANCESINWATERSCIENCEJan．，2013基于模式匹配法的明渠紊流涡结构分析陈启刚，李丹勋，钟强，王兴奎(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：对涡结构进行识别是紊流涡动力学研究的难题，为了降低涡识别方法对流速测量空间分辨率的要求，消除阈值对涡识别结果可能产生的影响，提出了基于二维平面流场的涡结构模式匹配方法。应用该方法对明渠紊流中涡结构的密度、涡量、半径和强度等特征参数和涡动力学特征进行了分析

2、。结果表明，涡结构的密度和涡量沿水深逐渐减小，涡半径沿水深逐渐增大，涡结构的环量在近壁区迅速增大而随后基本维持稳定；在相同水深处，顺向涡密度大于逆向涡且具有更强的旋转运动；顺向涡的平均流场具有典型的发夹涡群特征，部分逆向涡与顺向涡在空间上具有相关关系。关键词：涡结构；涡识别；模式匹配；明渠紊流；顺向涡；逆向涡中图分类号：TV131文献标志码：A文章编号：1001—6791(2013)01—0095—08紊流是多尺度、非线性三维流动，内部存在拟序结构⋯，而涡结构是各种拟序结构之间的纽带。。根据时空相关性这一

3、典型特征，可以使用基于速度梯度张量一、样式识别及小波分析的方法将涡结构从复杂流场中提取出来并进行分析。Zhou等基于速度梯度张量提出的旋转强度方法最具代表性，广泛应用于分析涡结构的密度、半径及强度等特征参数。Adrian等’”以旋转强度方法为基础，通过对大量典型瞬时流场分析提出了壁面紊流发夹涡群模式。Christensen等利用基于旋转强度极值的线性随机估计方法从统计上证实了壁面紊流中存在发夹涡群结构。旋转强度方法具有较强的理论基础，但是速度梯度张量受流场空间分辨率和测量误差影响较大’，同时，现有的涡提取

4、方法均需要定义一定的阈值，使得涡识别结果易受阈值的影响¨”‘。。本文将提出一种基于二维流场的模式匹配方法，以降低涡识别方法对流速测量空间分辨率的要求，消除阈值对涡识别结果的影响。在此基础上，将该方法应用于明渠紊流粒子图像测速(PIV)试验数据分析，对涡结构的特征参数及动力学特征进行研究。1涡结构模式匹配法1．1涡结构的识别定义沿水流方向为轴正方向，垂直床面向上为】，轴正方向，z轴垂直于—l，平面，满足右手定则。将实测瞬时流场减去时均速度场后得到脉动速度，u、、训分别为、l，、z方向的脉动速度分量；量纲一高

5、度)，：，其中为摩阻流速，b'k为运动粘性系数。k在—l，平面内，存在着沿z轴旋转的顺向涡(涡量为负)和逆向涡(涡量为正)。当从位于涡结构中心的收稿日期：2011—12—02；网络出版时间：2012-12-17网络出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／32．1309．P．20121217．2024．004．html基金项目：国家自然科学基金资助项目(51127006)；“十二五”国家科技支撑计划资助课题(2012BAB04B01)作者简介：陈启刚(1987一)，男，四川

6、宜宾人，博士研究生，主要从事水力学及河流动力学研究。E—mail：cqgO9@mails．tsinghua．edu．cn96水科学进展第24卷局部坐标原点观察周围流场时，顺向涡和逆向涡中心将分别出现如图1(a)和图1(b)的流场结构。定义离涡结构中心点最近的9个网格节点(PIV流速测点)的集合4，为A：{(，，n)l，n∈[i一1，i，i+1]；n∈[一1，，+1]}(1)l若点(i，)与涡结构中心重合，该点处的脉动流速为0，则根据其周围4个节点的速度方向可确定涡结构是否存在。对于顺向涡，中心点周围的速度

7、场应满足：『u(i一1，)<0H(i+1，)>0，【(i，一1)>0(i，．+1)<0同理，逆向涡中心点周围的速度场应满足：『u(i一1，)>0“(i+1，)<0，【(i，一1)<0(i，+1)>0在实际流场中，点(i，)一般不会与涡结构中心完全重合，即该点处的脉动流速不为0。在这种情况下，根据式(1)～式(3)可能会将同一涡结构重复识别。以图1(a)为例，若(i，)>0，则以点(i，+1)为中心的局部流场也可能符合式(2)的定义。因此，需进一步设置附加条件，将离涡结构中心最近的点(i，)作为涡结构中心。

8、设BA为所有满足式(2)或式(3)的网格节点的集合，则点(i，)距离涡核最近的条件为(i，)+(i，)。=min{L丽l(m，n)BJ}(4)式中min{}表示取最小值。显然，上述模式匹配方法符合Robinson关于涡的定义。与基于速度梯度张量的涡提取方法相比，模式匹配方法不需要计算速度梯度，因此受流速测量精度和测点空问分辨率的影响大大降低；同时，模式匹配方法在涡识别过程中不需要设定任何判别阈值，使得识别结果更加客观。值得注意