圆管湍流的实验研究：（1）dpiv技术

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1、圆管湍流的实验研究：（1）DPIV技术冯宾春（中国水利水电科学研究院水力学所，北京100044）摘要本文采用粒子数字图像测速（DPIV）对充分发展的圆管湍流进行了研究。实验雷诺数为（为圆管湍流的截面平均速度，D为圆管直径），分别为5155，测量结果和直接数值模拟（DNS）[1]结果进行了比较，结果表明作者开发的DPIV技术可取得满意的精度。本文在此基础上通过瞬时脉动速度场对圆管湍流的近壁结构进行了研究，分析发现在近壁结构中存在涡诱导的喷发和扫掠、低速条带和流向涡结构等拟序结构，而且发现低速条带和涡的诱导是低速流体喷发的必要条件。关键词DPIV技术，圆管湍流，拟序结构，流向涡1前言多年

2、来人们一直认为湍流是一个完全随机的自然现象，它涉及无限多的空间尺度和时间尺度。但自Corrsin[2]8（1943）首次报告湍流射流中的间歇性以来，人们发现湍流并不是完全随机的运动，而且随着时间的推移，越来越认识到拟序结构在湍流运动中的重要性。80年代，随着PIV技术的出现，人们可以同时定量测量整个流场中多点的速度分布，这使得湍流实验技术能够研究湍流场的分布情况，因此可以用来直观研究充分发展圆管湍流的近壁结构，这相对于流动显示以及定量测量的LDV和HWV技术都有明显的优势。本文利用DPIV技术分析研究了充分发展圆管湍流的近壁结构，研究中发现圆管近壁湍流中存在诸如喷发和扫掠、展向涡低速

3、条带等典型的湍流结构，同时也分析发现准流向涡的存在，这为二维实验研究三维结构提供了某些启示。1实验设备PIV的最大优势在于它可以获得整个流场的信息，从而在测量流场速度分布的同时得到流动结构，因此本文采用PIV技术研究充分发展圆管湍流的近壁结构，整个实验设备由实验系统和DPIV系统两部分组成。实验装置由上游水箱、过滤网、收缩段、圆管、实验段和下游水箱组成。实验段由玻璃做成，并在玻璃管外面套有一方形水套以消除圆形管路的凸透镜效应。实验段前的圆管长6米，直径40毫米，粒子投放处位于圆管上游入口。DPIV量测装置分三部分：光路系统、记录系统和诊断系统，其中光路系统和记录系统在实验中起着决定作

4、用。光路系统由５瓦的氩离子激光器、码盘和透镜组合组成，激光器产生的连续激光经码盘后形成脉冲激光，再经过图1所示的柱面镜和透镜组合（扩束）后形成实验所需要的平行片光。片光照明区域宽度为60毫米，片光厚度为0.8毫米，实验测试区域位于片光的中心区域，大小为13.3mm×9.77mm。记录系统由CCD、录像机和监视器组成，CCD的采样频率为50Hz，录像机采用隔行扫描，场频为25Hz。诊断系统由计算机和图像采集卡组成，利用采集卡将图像采集到计算机里形成数字图像文件后，经诊断处理得到流场的瞬时速度，诊断采用带诊断窗口偏移的自相关算法，其具体方法将在后面介绍。图1光路系统示意图2DPIV测速方

5、法简介DPIV[3]是PIV技术的数字化形式，它是一种利用二维片光源照亮流场中的某一区域而测出该区域内瞬时速度的测量技术，测量时先在待测流体中均匀投放示踪粒子，利用满足跟随性的粒子的运动代表当地流体的运动，通过测量示踪粒子的运动得到流场的速度分布。在本实验中示踪粒子直径约为1µm，满足粒子的跟随性要求[4]。为了获得较高的处理精度和数据空间分辨率，本文在诊断处理中采用了迭代、平移和多重网格技术[5，6]，提高了自相关算法的信噪比[7]，使得可以使用更小的诊断窗口进行诊断处理，而且该方法解除了1/4准则对PIV动力范围的限制，一般情况下对于64×64的诊断网格可以在每个方向上细分2次，

6、使空间分辨率提高4倍。8为了得到亚像素精度，必须对诊断得到的结果进行亚像素插值，常用的亚像素插值方法有形心法、抛物线拟合、高斯拟合和Whittaker重构，在不同的情况下它们的精度也不一样，根据文献[8]分析，针对实验中粒子图像灰度近似呈高斯分布的特点，本文采用高斯曲线拟合进行亚像素插值.1实验参数本实验采用带窗口平移的自相关分析诊断处理图像，诊断点大小为32×32，诊断窗口在两个方向的重叠率均为50％。在整个统计过程中，共处理580个样本，两样本之间的时间间隔为0.4秒，大于特征时间和流体经过测试区域的时间（约为0.077s），速度样本间是统计独立的，在统计分析时采用时间和流向同时

7、平均。在流动的统计分析中，所有统计量都采用圆管壁面摩擦速度进行无量纲化。根据充分发展的圆管湍流和本实验的雷诺数范围，参照文献[9]采用勃拉修斯半经验公式计算壁面摩擦速度（1）对于本实验我们得到。2结果分析本文实验雷诺数，和文献[1，9]（分别为5300和5327）中的雷诺数非常接近，下面我们首先分析比较了本文的实验数据和Eggels[1]的直接数值模拟（DNS）数据以及Westerweel[9]的实验结果。2.1统计特性在图2中我们给出了圆管湍流的统计结果