15931.高聚物溶液湍流邊界層減阻機(jī)理的trpiv實(shí)驗(yàn)研究

1、天津大學(xué)博士學(xué)位論文高聚物溶液高聚物溶液湍流邊界層湍流邊界層減阻機(jī)理減阻機(jī)理的TRPIVTRPIV實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究研究TRPIVExperimentalStudyonDragReductionMechanisminTurbulentBoundaryLayerwithPolymerAdditives一級(jí)學(xué)科：力學(xué)學(xué)科專業(yè)：流體力學(xué)作者姓名：管新蕾指導(dǎo)教師：姜楠教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二零一五年五月I中文中文摘要摘要自高聚物溶液減阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以

2、來(lái)，這一獨(dú)特的減阻現(xiàn)象引起了廣泛關(guān)注。然而高聚物和湍流組成的物理系統(tǒng)異常復(fù)雜，它們之間的動(dòng)力學(xué)相互作用仍不明確，高聚物在湍流中產(chǎn)生減阻效應(yīng)的原因尚未完全清楚，減阻的機(jī)理還有待深入探究。目前湍流邊界層中高聚物減阻的實(shí)驗(yàn)研究缺乏對(duì)相干結(jié)構(gòu)，尤其是多尺度相干結(jié)構(gòu)的全面分析。相干結(jié)構(gòu)作為湍流中重要的結(jié)構(gòu)單元，對(duì)湍流產(chǎn)生、維持、演化和發(fā)展有著重大影響。本文對(duì)添加高聚物的湍流流場(chǎng)進(jìn)行研究，并結(jié)合流動(dòng)中相干結(jié)構(gòu)的分析，全面地了解高聚物和湍流之間的動(dòng)力

3、學(xué)相互作用，以便進(jìn)一步揭示壁湍流中高聚物的減阻機(jī)理。本文利用高時(shí)間分辨率粒子圖像測(cè)速(timeresolvedparticleimagevelocimetryTRPIV)技術(shù)對(duì)湍流邊界層中高聚物的減阻機(jī)理及多尺度相干結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。TRPIV系統(tǒng)精確測(cè)量了兩組雷諾數(shù)下清水和不同濃度的聚丙烯酰胺(polyacrylaePAM)溶液的壁湍流流場(chǎng)，記錄并分析了流向法向和流向展向平面內(nèi)的二維瞬時(shí)速度矢量。清水和PAM溶液中速度統(tǒng)計(jì)量的對(duì)比結(jié)

4、果表明，盡管高聚物對(duì)流向湍流度的峰值幾乎沒(méi)有影響，但法向脈動(dòng)速度、雷諾切應(yīng)力及展向渦量均比清水中的情況大為降低，而且統(tǒng)計(jì)量峰值的位置更加遠(yuǎn)離壁面，其法向分布變寬。受湍流影響而沿流向拉伸的高分子反作用于湍流，顯著削弱了法向和展向相干運(yùn)動(dòng)的能量，阻礙了湍動(dòng)能從流向分量向另外兩個(gè)分量的傳遞。并且具有黏彈性的高分子伸長(zhǎng)后存儲(chǔ)了原本由小尺度湍渦因黏性作用而耗散的湍動(dòng)能，導(dǎo)致湍流能量的級(jí)串過(guò)程在小尺度部分被改變。高聚物對(duì)湍流物理量的影響，在本文涉及

5、的雷諾數(shù)范圍中，均隨著溶液濃度的增加而越發(fā)明顯，但是這種變化逐漸趨緩。通過(guò)分析脈動(dòng)速度的相關(guān)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)PAM溶液中相干結(jié)構(gòu)的流向尺度隨濃度的增加而緩慢增長(zhǎng)，但法向上受到壓縮。條件平均和線性隨機(jī)估計(jì)(linearstochasticestimationLSE)等方法提取的發(fā)卡渦、發(fā)卡渦渦包等結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析表明，高聚物使發(fā)卡渦從湍流平均場(chǎng)獲取的能量減少，渦旋強(qiáng)度減弱，抑制了新發(fā)卡渦的產(chǎn)生，并且渦包中的獨(dú)立發(fā)卡渦數(shù)量也隨之減少。高聚物對(duì)流體法