《近壁區湍流擬序結構減阻機理研究》是依託北京航空航天大學，由郭昊擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：近壁區湍流擬序結構減阻機理研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：郭昊
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在能源日趨緊張的今天，節約能源成為人類追求的目標，其主要途徑之一就是在輸運工具的設計中，儘量減少表面的摩擦阻力。在這些輸運工具表面的大部分區域，流動都處於湍流狀態，人們可以通過改善或修正湍流邊界層中的擬序結構來達到減阻目的。其中，溝槽減阻技術因為可以不改變輸運工具的外形結構，更是得到了人們的青睞。研究發現溝槽面的準流向渦和慢速條帶結構是影響減阻的主要擬序結構。現有的研究仍然缺乏對二者系統和細緻的描述。.本研究擬採用直接數值模擬不同幾何特性及放置方式溝槽面湍流，在利用湍流擬序結構的時空相關性和多尺度自組織性精確辨析條帶結構及流向渦結構的基礎上，開展基於阻力特性的條件採樣統計分析，探討條帶結構及流向渦結構的減阻機理，為近壁區湍流擬序結構控制技術提供指導。
結題摘要
湍流減阻作為節約能源消耗的主要途徑有著重大的意義，已引起了廣泛的關注，並已被NASA列為21世紀的航空關鍵技術之一。其中溝槽減阻一直是湍流減阻技術中的研究焦點。本項目通過三年的研究工作，已完成項目計畫內容，展開了溝槽面湍流減阻機理研究、不同構型及布局溝槽面湍流減阻研究、近壁區湍流標度律分析及近壁區湍流條帶結構主動控制實驗研究。 溝槽面湍流減阻機理研究結果表明，溝槽面的存在使得平均速度剖面在過渡區和對數區明顯上移。在統計上，減阻機理表現為粘性底層厚度增加導致了壁面摩阻的降低。分析流場結果顯示，溝槽面對近壁區條帶結構和流向渦結構產生了影響。在結構上，減阻機理表現為溝槽尖頂形成的二次渦減弱了與低速條帶相聯繫的流向渦，使在溝槽內保留低速流體，並且限制了流向渦的展向運動，引起壁面猝發減弱，從而導致了壁面摩阻的降低。項目進一步通過對不同構型的溝槽最佳減阻效果進行對比研究，發現最佳減阻效果對應的溝槽無量綱尺寸都處於粘性底層的外邊緣或過渡區，正好是低速條帶上升猝發的高度區域，而猝發會帶來強烈的湍流脈動，對壁面切應力貢獻很大。這也說明了溝槽延長了低速條帶的存活周期，降低了由於猝發現象帶來的摩阻增加。項目在此基礎上總結了溝槽面的湍流減阻機理研究，確認溝槽面的引入主要影響了近壁區湍流結構的演化，從而達到減阻的目的。此外為了更好達到項目的研究目的，本項目展開了近壁區湍流及其控制的熱線測量實驗研究。探索溝槽面湍流中不同尺度的湍渦結構演化過程，需要深入研究湍流脈動速度信號所包含的信息。湍流標度律分析對於研究複雜系統的簡單規律有著重要的指導意義，本項目在此基礎上，進一步展開近壁區湍流標度律實驗研究。研究結果表明：近壁區湍流各物理量的相對標度指數偏向SL標度指數分布，高階時有些偏離，其偏離部分可顯示條帶結構的影響。隨著階數p的增大，各個方向的相對標度指數都表現出各自的規律。本項目進一步利用合成射流控制技術，分析研究壁面湍流減阻機理。研究結果表明：合成射流使得近壁區域的平均速度剖面有所下降，粘性底層增厚，具有減小表面摩擦特徵，且其影響主要產生在近壁區內，與溝槽減阻機理類似，說明壁面湍流減阻的基本原則為抑制展向湍流發展。項目通過進一步的實驗研究，同樣發現了條帶結構影響壁面摩阻的特性，為接下來實現壁面湍流減阻技術的發展提供一定指導意義。
