普遍接受的观点认为拟序结构是指剪切湍流中存在的、可辨识的、有序的、尺度与剪切层厚度相当的运动,其起始时刻和位置不确定,但一经触发就以某种确定的次序发展成特定的运动状态。壁湍流中拟序结构存在多种不同形式,表现为近壁区的高/低速条带和流向涡,对数区和外区的发卡涡和发卡涡包,以及在高雷诺数湍流中发现的超大尺度结构。拟序结构是湍流中主要的含能结构,主导着湍流动量和能量的输运。因此开展湍流拟序结构研究对认识湍流机理、发展湍流模型和探索湍流减阻技术都有重要意义。由于湍流环境的复杂性,理论分析和数值模拟拟序结构困难很大,拟序结构的研究直至目前还是以实验为主。
拟序结构实验
显示、观察、测量尺度为剪切层厚度的量级的空间内,流动特征一致或紧密相关的流体力学实验。
- 英文名称
- coherent structure experiment
- 所属学科
- 力学
拟序结构的发现被认为是20世纪湍流研究的重大进展之一,不仅改变了“湍流完全无序”的传统认识,更重要的是为湍流研究指明了一个新的途径。1967年,S.J.克兰利用氢气泡技术观测到湍流近壁区条带结构以及上升流和猝发现象,首次发现拟序结构的存在。随后,R.S.布罗基又发现了下扫流,完善了拟序结构演化过程的描述。后续的研究结果表明这些拟序结构和涡结构密切相关。1981年,M.R.黑德等人利用烟迹法和激光片光技术得到湍流边界层中发卡涡的图像,使得早在1952年由T.捷奥多尔森提出的湍流发卡涡模型又重新受到重视。大量实验和数值模拟证实了充分发展壁湍流中存在发卡涡。但在湍流环境中,由于发卡涡的成长受到湍流脉动破坏,对称的规则发卡涡很难观测到,通常表现为发卡涡的一部分,如准流向涡(发卡涡涡腿)和展向涡(发卡涡涡头)等。近壁区条带和外区发卡涡(流向涡)构成的自维持过程是壁湍流产生和维持的关键。1997年,C.R.史密斯和J.D.A.沃克综合评述了自维持机制。1999年,K.C.金和R.J.艾德里安发现在高雷诺数壁湍流中还存在着超大尺度运动。进入21世纪,自艾德里安(2000)起开始将粒子图像测速(PIV)技术应用于湍流边界层研究,观测和统计发卡涡的特性并于2007年明确给出了单个发卡涡的基本特征,并指出发卡涡通常以涡包的形式存在。发卡涡和发卡涡包模型提供了雷诺切应力和近壁条带产生的机制,仍是湍流研究的热点问题。
主要有三方面:不同形式拟序结构之间的联系和相互作用;拟序结构的发生以及自维持机制,以及与湍流生成发展的关系;发展基于拟序结构控制的湍流减阻技术。
主要有流动显示、多热线法和粒子图像测速技术。数据处理和分析方法主要有频谱方法、条件采样、小波分析、本征正交分解和动态模态分解方法等。
拟序结构实验使用最早、最多的是流动显示方法,主要有氢气泡法、染色液法、烟迹法以及与激光片光技术的结合。其中水中氢气泡法使用最普遍,显示效果好,对流场的干扰很小,特别是显示涡核更具优势。目前对湍流边界层拟序结构的认识还主要是基于过去用流动显示法取得的结果。
热线测速方法响应频率高,也是湍流研究常用的技术。多热线方法通常在湍流边界层内布置多个探头,基于“冻结假说”把时间序列的数据转换为随流向变化,得到空间速度分布图。研究猝发现象使用最多的是用条件采样法分析热线或激光多普勒测速仪测得的速度时间序列,获取猝发频率信息。
PIV方法兼有定性流动显示和定量速度测量双重功能。由于PIV可以观测激光片光平面内粒子运动,类似流动显示可以得到流动结构的形态;更重要的是可获取许多定量的结果如速度矢量、涡量、雷诺应力分布等,但传统二维PIV激光片只是照亮拟序涡结构的一个切片,而不是它的全貌。
三维层析PIV有能力扑捉到完整的拟序结构时空信息。随着三维PIV时空分辨率的提高,同时结合涡辨识、小波分析、本征正交分解、动态模态分解等数据分析方法的应用,三维PIV将会成为研究湍流边界层拟序结构问题的理想实验手段。
扩展阅读
- 连棋祥.湍流边界层拟序结构的实验研究.力学进展,2006,36(3):373-388.
- 许春晓.壁湍流相干结构和减阻控制机理.力学进展,2015,45:111-140.