15934.剪切湍流時空相關(guān)函數(shù)模型的piv實驗研究

1、天津大學(xué)博士學(xué)位論文剪切剪切湍流湍流時空時空相關(guān)函數(shù)模型的相關(guān)函數(shù)模型的PIVPIV實驗研究實驗研究PIVInvestigationofSpacetimeCrelationModelinShearTurbulence一級學(xué)科：力學(xué)學(xué)科專業(yè)：流體力學(xué)作者姓名：王維指導(dǎo)教師：姜楠教授天津大學(xué)機械工程學(xué)院二零一五年五月I中文中文摘要摘要相關(guān)函數(shù)是湍流研究中基本的統(tǒng)計工具，是湍流統(tǒng)計理論和湍流模型中必不可少的組成部分，具有重要的理論價值和實際的

2、應(yīng)用意義。這其中時空相關(guān)函數(shù)包含了湍渦運動完整的時間和空間信息，但其復(fù)雜性使得有關(guān)研究并不多，而且難以通過實驗獲得完整的數(shù)據(jù)。但對湍流的分析經(jīng)常要在空間和時間維度間轉(zhuǎn)換，使得研究者不得不面對兩者間的變化問題。經(jīng)典的方法是Tayl凍結(jié)假設(shè)，通過一維線性關(guān)系聯(lián)接起時間和空間維度。Tayl假設(shè)過于簡單的線性關(guān)系雖然使得其應(yīng)用很便捷，但是不能準(zhǔn)確的代表湍流中真實的時空尺度轉(zhuǎn)化，也沒有反映出湍流的全部時空運動特征。Tayl假設(shè)的有效性也需要很多前

3、提條件，使得其只能在部分流動中成立，而在更普遍的湍流環(huán)境中強行使用只會帶來明顯的誤差。針對此問題一種新的時空相關(guān)函數(shù)模型——橢圓近似假設(shè)被提出。假設(shè)將時空相關(guān)函數(shù)由一階Tayl級數(shù)展開擴展到二階精度上，并結(jié)合Kraichnan的隨機掃掠假設(shè)，引入新的掃掠速度參數(shù)使模型能夠考慮到湍渦運動在流場中的變形衰減對時空相關(guān)函數(shù)的影響。橢圓近似假設(shè)提出后已經(jīng)得到了一些實驗和數(shù)值仿真的驗證，但是數(shù)據(jù)大都來自于簡單的均勻湍流或是接近各向同性的熱對流。本

4、文的工作是首次在真實的各向異性平板湍流邊界層中實驗驗證假設(shè)，擴展假設(shè)的應(yīng)用范圍。然后在波形壁面湍流邊界層中探索假設(shè)的局限性，最后通過研究模型中的關(guān)鍵參數(shù)來加強理解假設(shè)本身。驗證和擴展研究結(jié)合典型湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)的研究，尤其是相干結(jié)構(gòu)的遷移、變形和衰減等對相關(guān)函數(shù)有貢獻(xiàn)的核心問題。研究工作所需數(shù)據(jù)分別來自層析PIV測量的平板湍流邊界層三維全分量速度場和二維PIV測量的波形壁面湍流邊界層平面速度場。平板湍流邊界層的分析表明弓形渦、弧形渦和

5、發(fā)卡渦等作為流動的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對周圍流體有著重要的誘導(dǎo)作用，使流場中產(chǎn)生相關(guān)性很強的流向大尺度條帶，同時受到誘導(dǎo)的流體也改變了結(jié)構(gòu)周圍的環(huán)境，兩者的相互作用參與了湍流的動力學(xué)發(fā)展，從而對相關(guān)函數(shù)產(chǎn)生影響。流向脈動速度的二階時空相關(guān)函數(shù)的分布符合橢圓近似假設(shè)的預(yù)測，表明橢圓近似在剪切壁湍流中同樣生效。相關(guān)等值線擁有橢圓近似假設(shè)的兩個特征——所有橢圓等值線擁有同樣的傾斜角度和長短軸比值。相較于Tayl假設(shè)，橢圓近似假設(shè)不僅反映出結(jié)構(gòu)的遷移，而