湍流實驗

基本介紹

• 中文名：湍流實驗
• 外文名：experiments of turbulent flow

基本簡介

在可控的實驗條件下，利用各種測試儀器和數據處理系統，測量湍流的特徵參量或顯示流場。湍流實驗不僅可以直接取得有用的技術數據，而且是認識湍流結構，發展湍流新概念新模式的手段。20世紀30年代熱線風速儀的發明，使人們可以測量湍流的脈動速度，檢驗並發展理論和半經驗理論。50年代隨著電子儀器的完善，實驗側重於研究湍能的譜分布，特別是湍流的精細結構。60年代中期以後，由於改善了流場顯示技術，採用了條件採樣方法，發現不規則的湍流中存在著有一定秩序的大尺度相干結構。從此湍流相干結構成為湍流實驗的新課題。

圖1

測定湍流參數，研究湍流現象和運動規律的實驗技術，是湍流研究和提供套用結果的非常重要的手段。湍流實驗方法主要有：①流動觀察；②湍流測量。

流動觀察

流動觀察這是直接獲得湍流的各種流動圖案和大尺度渦旋的形成、發展和衰變過程的直觀方法。通常觀察氣流可以用紋影法和干涉法光學技術（見風洞測試儀器），也可以用煙跡法；觀察液體可以用染色法和氫氣泡技術。近年來又發展了雷射干涉與全息等技術。雖然流動觀察是古老而又簡單的實驗技術，但在湍流結構上的不少重要發現主要是用此方法得到的。例如二維混合層流動中的布朗－羅什科大尺度渦旋結構及其合併過程（圖1），湍流邊界層底層內的湍斑流動及其猝發過程（圖2）,就是從實驗上首先觀察到的。

圖2 湍流邊界層底層內的湍斑流動

湍流測量

測量對象為均勻各向同性湍流和剪下湍流。 均勻各向同性湍流是最簡單的一種湍流 (見湍流理論)。它一般可在風洞的格線後形成。對這種湍流的實驗研究通常是測量在統計上有意義的各脈動參量（如速度、密度、壓力和溫度）的方均根值、湍能及其衰變、湍流微尺度、空間二點上的相關函式和一點的時間自相關函式以及對應於這些相關函式的自譜和互譜，此外還有湍流的偏斜因子和平坦因子等。上述這些參量可以用電模擬方法測量，也可以用電子計算機的隨機數據處理法測量。對於均勻各向同性湍流中的五階以上的矩，以及各流動參量的脈動值的機率密度分布等，則一般需要由電子計算機的隨機數據處理方法來測量。

剪下湍流要比均勻各向同性湍流複雜得多。這是由於湍流流動的非均勻性和非各向同性引起的。但測量剪下湍流並不比測量均勻各向同性湍流複雜。剪下湍流的實驗測量，除了上述均勻各向同性湍流中測量的那些參量外，一個最重要的參量是雷諾應力。此外還有渦粘性係數、湍流與非湍流交界面上的間歇因子以及湍流邊界層中湍斑的結構參數、猝發因子等。這些測量一般是利用條件採樣技術和電子計算機來處理數據。

湍流實驗測量技術原則上都是由感受部分和數據處理部分組成的。用於湍流實驗的感受部分的感測元件有壓電元件、熱敏元件、熱絲和熱膜、等離子束和雷射束等。但迄今用得最廣泛的還是熱絲探頭。它是一條長度遠大於直徑的細鉑絲或鎢絲，其直徑一般在1～5微米之間。測量原理是把熱絲置於待測流體介質中，用電加熱熱絲，使其溫度高於流體介質溫度。由熱絲與流體之間的熱傳遞的變化引起熱絲兩端的電壓發生變化，從而可以測量流速的平均值和脈動值。近年來又把雷射技術套用到湍流測量中。它的測量原理是利用都卜勒效應，即利用流體中懸浮粒子的運動,使散射光頻率產生偏移,由測出的頻率偏移量可算出流體運動速度。因為這種方法能實現流場的非接觸測量，慣性又極小，所以很引人注目。但目前用此法測量湍流還有不少技術上的難點（例如粒子的跟隨性），需要進一步克服。

用於湍流實驗數據處理的方法，有電模擬法和電子計算機數字處理法。所謂電模擬法是把感測器獲得的湍流脈動電信號，用電模擬加工成所需要的各種湍流參量。這種處理方法精度低,通用性差,製造發展儀器也相當困難。所謂湍流的隨機數據的採樣技術，是按照規定條件，把湍流內連續的隨機信號變換為離散的數位訊號，並採集紀錄下來，然後用快速傅立葉變換(FFT),快速相關或快速卷積等算法，在電子計算機中加工成湍流的譜、相關函式、機率密度等等。

研究現狀

當前，湍流工作者結合對流動圖案的觀察，利用上述採樣技術,進行了大量的湍流實驗研究,取得了可喜的成果，有些結果根本上改變了一些傳統的湍流觀點。如湍流的局部各向同性柯爾莫戈羅夫理論認為，渦旋能量的傳遞是從大渦旋向小渦旋輸運，最後耗散為熱,而運動方程則以長時間平均的雷諾方程來代替納維-斯托克斯方程。但近年來的實驗研究表明，這種理論上的平均和實驗上的長時間的統計平均測量，都是以犧牲湍流信息中的所有相位數據為代價的。現在發現，這些相位數據可能是湍流中很重要的信息。剪下湍流中的各種擬序結構,是不允許在長時間的統計平均下捨棄的。實驗還發現，在某些條件下，不穩定性的平面渦層能迅速地結合成擬序的大尺度渦旋結構，與上述傳統的傳遞能量的概念恰恰相反，這是典型的小渦旋向大渦旋傳遞能量的例子。此外還發現，剪下湍流內的不穩定性波的發展和失穩可能與渦旋結構有某種關係。人們希望通過湍流實驗研究，能在不久的將來揭示出湍流現象的一些機制，從而對全面認識和解決湍流這個難題向前跨進一步。

參考書目

1.Wei Zhong-Lei, Niu Zhen-Nan and Ma Wen-Jiu,TheDisturbancesAffectBrown-Roshko Structures in PlaneMixing Layer,Structure of Complex Turbulent Shear Flow,IUTAM Symposium Marseille,1982,pp.1～145，Springer-Verlag, 1983.

2.LianQixiang,Observationson Structures ofTurbulentBoundaryLayer in a Flow with Strong Adverse Pressure Gradiant, Proceedings of Second AsianCongressofFluidMechanics, pp.70～77,Science Press,Beijing, China, 1983.