壁湍流相干结构及超疏水壁面减阻机理的PIV实验研究

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1、戀太摩次＃ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－臓代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文■ｉｕｍｍｉ，—＿级学科力学：学科专业：流体力学田海平：作者姓名指导教师：＿￥＿天津大学研究生院２０１７年５月天津大学博士学位论文壁湍流相干结构及超疏水壁面减阻机理的PIV实验研究PIVExperimentalResearchofCoherentStructuresinWall-boundedTurbulentFlowandDragReductionMechanis

2、mbySuperhydrophobicsurfaces学科专业：流体力学作者姓名：田海平指导教师：姜楠教授天津大学机械工程学院2017年05月中文摘要相干结构被公认为是湍流中最重要的结构，它对湍流的产生、维持、演化和发展起着重要作用，同时具有重要的工程应用和学术研究价值。本文以壁湍流相干结构为研究核心，综合运用Stereo-PIV、Tomo-PIV和TR-PIV等先进的流体力学实验技术，研究了以下三个相关问题：其一，定量测量了真实三维发卡涡结构；其二，分析了高低速条带流向间隔区域局部流场的流体动力学规律；其三，从相干结构的角

3、度探究超疏水壁面湍流减阻的减阻机理。研究过程中对发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的空间结构分布特征、发展演化规律及其内在的流体动力学机理进行了深入的分析。本文运用Stereo-PIV锁相实验，成功地对合成射流装置在边界层流场中产生的三维发卡涡结构进行定量测量，并按相位重构出一个完整合成射流周期内产生的发卡涡三维结构。通过对三维发卡涡结构的分析，不仅实验验证了人们对发卡涡结构已有的认识，还有一些新的发现：发卡涡涡腿间喷射流体与外界环境流体间形成一个较薄的展向涡量集中的区域，是流体强剪切的区域；相邻发卡涡的两个涡腿或单个发卡涡

4、涡腿外侧是高速流体区域，发生扫掠事件；展向脉动速度体现两层分布的特性，两个反向旋转涡腿结构靠近壁一侧的流体在展向上向涡腿间汇聚，而涡腿结构远离壁面一侧的流体在展向上向两侧流动，并且前者是主导运动。基于这些新的发现对典型发卡涡的结构特征进行了归纳总结。其意义在于，根据已有流场的拓扑规律，对目标流场进行反向推演得到应有的流动结构，进而对相关的流动机理进行阐述。对湍流边界层高低速条带结构流向上间隔区域局部流场的拓扑分析是基于Tomo-PIV测得的湍流边界层瞬时3D-3C速度矢量场数据库。文中用空间局部平均速度结构函数和条件采样方法

5、提取条件事件局部流场，最后利用叠加平均的手段得到三维拓扑流场结构。基于局部流场的拓扑结构中“四极子”和“六极子”式的结构，依据总结的典型发卡涡结构特征规律，本文反向推演并提出了高低速条带流向间隔区域的“三发卡涡”三维动力学模型。该三维模型很好得解释了该流场区域高低速条带，喷射/扫掠事件以及发卡涡三者之间的密切联系，起到了“纽带”作用。该动力学模型可以用来解释高低速条带在流向上间隔排列发生的物理机理。对超疏水壁面湍流边界层减阻机理的研究是基于湍流边界层xy和xz平面上的TR-PIV对比实验，取得了约11%的减阻率。文中分析

6、了不同壁面上的湍流统计量、相干结构的拓扑形态及展向涡结构的迁移运动规律，侧重从相干结构I角度研究减阻机理。从湍流统计量的角度看：超疏水壁面近壁区域（y0.1或者y30）的平均速度剖面、流向湍流度和雷诺应力分布，均体现减阻特征。法向湍流度曲线y20~60区域存在的“鼓包”结构，为“展向滑移增阻”数值模拟的理论提供了实验依据。基于对xz和xy平面上相干结构的拓扑形态，以及xy平面上展向涡的迁移运动规律，结合典型发卡涡结构的基本特征，本文建立了超疏水壁面上发卡涡生成模型和发卡涡涡包模型，从相干结构被动控制的角度解

7、释超疏水壁面湍流减阻机理：受超疏水壁面的影响，湍流边界层中产生的准流向涡及单个发卡涡结构在壁面上拥有更小的倾角，展向间距更大，脉动强度较弱。形成的发卡涡涡包结构的结构紧凑、流向和法向的尺度较小，运动强度也较弱。因而，这种更加有序的涡包结构产生了一个流向尺度较短展向较宽的低速条带（低动量区）结构。尽管如此，但整体结构在向下游的迁移运动却较快，包裹在涡包结构里的低速流体的平均流速也略大于亲水的情况。也正是因为超疏水壁面上相干结构的运动较弱，湍流统计量中的湍流度和雷诺应力分布也较小。这些共同构成了超疏水壁面湍流减阻的原因。关键词：

8、壁湍流，相干结构，湍流减阻，发卡涡，高低速条带结构，PIV，超疏水壁面IIABSTRACTThecoherentstructureisrecognizedasthemostimportantstructureinturbulenece.Ithasasignificantinfluenceo