後向台階層流分離剪下層轉捩機理的實驗研究

《後向台階層流分離剪下層轉捩機理的實驗研究》是依託北京航空航天大學，由潘翀擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：後向台階層流分離剪下層轉捩機理的實驗研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：潘翀
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

後向台階流動是一種最簡單的二維分離-再附流動，但卻包含了分離-再附流動的所有主要特徵，在工業部門有著廣泛的套用，研究後向台階流動具有重要的學術研究意義和工業套用價值。本項目擬通過水槽實驗研究後向台階在過渡區中的流動特性和機理：在過渡區中，分離後的層流剪下層在穩定性機製作用下在再附之前即發生向湍流狀態的轉變，其流態與層流分離層流再附及湍流分離湍流再附的情況明顯不同。該流動的非定常性體現在剪下層和再附點的拍動，流動的三維化表現為剪下層的三維演化，但目前對拍動現象的內在機制和三維化的物理圖景缺乏深刻認識。本項目擬以流動顯示和PIV測速為主，綜合運用旋渦辨識技術和POD模態分解方法，從渦-渦相互作用的角度出發，研究剪下層和再附點的拍動特性、拍動的產生機理以及自由剪下層三維化的渦動力學機制，為弄清層流分離剪下層轉捩現象中的剪下層不穩定性、旋渦相互作用、湍流自維持等問題提供新的依據。

結題摘要

後向台階流動是一種最簡單的二維分離-再附流動。其分離點固定、起始邊界條件相對簡單，但卻包含了分離-再附流動的所有主要特徵，因此是研究分離-再附流動的重要簡化模型，具有重要的學術研究價值。本項目主要針對後向台階分離-再附流動在過渡區的流動特性和機理。重點研究了雷諾數對剪下層轉捩特性的影響、剪下層和再附點的拍動特性、以及剪下層中大尺度渦結構的動力學演化過程。這些研究內容與原計畫吻合。因新增加了可靠流場診斷和統計分析工具的研究內容，故未能按計畫完成原定剪下層三維化的實驗測量，將在今後在自然基金青年-面上項目連續項目的資助下繼續該部分研究。項目研究將流動顯示和PIV流場測速技術有機的結合起來，建立了高質量的時間解析二維PIV速度場資料庫。較為系統的研究了雷諾數對剪下層再附特性、轉捩開始位置、旋渦捲起位置的影響規律，確定了剪下層轉捩特性的臨界雷諾數。綜合運用先進的旋渦辨識技術與統計分析方法，細緻刻畫了剪下層中大尺度旋渦的動力學演化行為，描述了條件平均旋渦的動力學參數的沿程發展，首次從PIV速度場中定量觀測到旋渦合併的過程。在本項目資助下，目前已發表SCI檢索論文五篇、EI檢索論文一篇、國際學術會議論文四篇、國內學術會議論文兩篇，獲批國家發明專利兩項。代表性成果包括：依託本項目開發了新的旋渦辨識技術，相關研究論文發表在流體力學國際權威期刊Journal of Fluid Mechanics上；對於固壁剪下層轉捩的綜述性論文發表在國內力學屆唯一的綜述刊物《力學進展》；在PIV實驗中研發了透光玻璃光學畸變檢測技術，能夠部分解決PIV測量中遇到的透光玻璃光學畸變問題，該技術獲國家發明專利。另有關於剪下層中大尺度旋渦結構演化發展的論文已投國際高水平學術刊物。本項目對分離剪下層中大尺度旋渦結構的動力學演化過程進行了辨識和追蹤，為剪下層轉捩過程中的非線性機制從渦動力學的角度提供了解釋，能為發展針對分離剪下層的新型大渦模擬模型提供參考，對進一步研究再附點的拍動和剪下層三維化的物理機制提供了重要啟示。