近壁方柱尾跡非定常特性的實(shí)驗(yàn)研究及本征正交分解分析.pdf

1、近壁方柱繞流是在化工、航空、動(dòng)力機(jī)械、電子、能源和石化等工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在的一種現(xiàn)象。研究近擘方體繞流的意義小僅在于其應(yīng)用較為廣泛，還在于相關(guān)流動(dòng)分離、再附、旋渦脫落等現(xiàn)象在近壁干涉作用下所表現(xiàn)出來的復(fù)雜特征具有很強(qiáng)的理論意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。
　　 本文首先在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，綜合采用速度和壓力動(dòng)態(tài)信號測量技術(shù)，對不同間隙比下的近擘方柱尾跡非定常流場進(jìn)行測量。通過多種數(shù)據(jù)處理方法分析了不同間隙比時(shí)尾跡流場的非定常特性，揭示了壁而對近壁方柱

2、尾跡流場的影響。然后在水槽實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，采用高分辨率PIV和時(shí)間分辨PIV等先進(jìn)流動(dòng)測量技術(shù)，考察了低雷諾數(shù)下壁面對近壁方柱尾跡流場的影響。通過時(shí)均速度場、脈動(dòng)速度場和渦強(qiáng)度場的比較分析，進(jìn)一步揭示了近壁干涉作用對尾跡流場結(jié)構(gòu)、旋渦脫落特性以及旋渦結(jié)構(gòu)特性的影響。
　　 本文發(fā)展了用于湍流相干結(jié)構(gòu)分析的本征正交分解技術(shù)，并建立了一套完整的模態(tài)分析方法。本征正交分解技術(shù)能夠有效地捕捉流場中相干結(jié)構(gòu)的信息，本文將其運(yùn)用到壁面脈動(dòng)壓力場和

3、尾跡速度場的分析中，獲得了壁面脈動(dòng)壓力場和尾跡速度場的特征模態(tài)，通過對特征模態(tài)及其系數(shù)的探討，進(jìn)一步揭示了壁面對近壁方柱尾跡中大尺度旋渦結(jié)構(gòu)時(shí)空特性的影響。本文提出了一種用于POD濾波時(shí)判斷截?cái)嚯A數(shù)的方法，利用該方法進(jìn)行流場低階重構(gòu)可以獲得明顯的濾波效果，同時(shí)能夠較完整地保留流場中大尺度結(jié)構(gòu)的信息。
　　 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在G/D=0.25時(shí)，旋渦脫落被抑制，而在G/D=0.5時(shí)仍有旋渦脫落產(chǎn)生，臨界間隙比介于G/D=0.25

4、-0.5之間。水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，臨界間隙比介于G/D=0.2-0.4之間，這一臨界間隙比與前人的結(jié)論基本一致。
　　 隨著間隙比的減小，近壁干涉作用加劇，下剪切層內(nèi)的流動(dòng)受壁面的影響越來越強(qiáng)烈，旋渦結(jié)構(gòu)的能量也不斷被削弱；當(dāng)間隙比低于臨界問隙比時(shí)，上下剪切層因旋渦結(jié)構(gòu)能量懸殊而無法形成耦合關(guān)系，最終導(dǎo)致旋渦脫落被抑制。旋渦脫落抑制以后，上剪切層再附到下游壁面。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，G/D=0.25時(shí)上剪切層的時(shí)均再附點(diǎn)位于XR/D=9.

5、25，而在水槽PIV實(shí)驗(yàn)中，間隙比G/D=0.2和0.1時(shí)的時(shí)均再附點(diǎn)分別位于xR/D=6.5和7.25。熱線風(fēng)速儀和壁面脈動(dòng)壓力傳感器均測量到，卡門渦街脫落的無量綱頻率為St=0.13，輸運(yùn)速度為Uc/Uo=0.64;水槽實(shí)驗(yàn)測量得到的旋渦脫落的無量綱頻率為St=0.12，輸運(yùn)速度為Uc/Uo=0.55。
　　 本征正交分解分析表明：在旋渦脫落未被抑制時(shí)，流場中最具能量的結(jié)構(gòu)是從方柱上下剪切層內(nèi)脫落的卡門渦；當(dāng)間隙比減小到低于

6、臨界間隙比時(shí)，旋渦脫落被抑制，這時(shí)上剪切層內(nèi)的“K-H”渦成為流場中的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種旋渦結(jié)構(gòu)的能量較弱，測量得到其無量綱頻率為St=0.116。從脈動(dòng)壓力場本征正交分解得到的模態(tài)可知，卡門渦街的波長約為k=5D，“K-H”渦的波長略有增長，為y=5.5-6D。此外，根據(jù)TR-PIV速度場本征正交分解前兩階模態(tài)的系數(shù)，對流場進(jìn)行了相位分析。在采用POD進(jìn)行流場濾波時(shí)，根據(jù)模態(tài)系數(shù)的功率譜及相干系數(shù)，選擇合理的截?cái)嚯A數(shù)進(jìn)行流場重構(gòu)，能夠最大