动态粗糙元扰动对湍流边界层大尺度结构影响的实验研究

Large-scale motions, as the most energetic and active coherent structures in the logarithmic regions of turbulent boundary layers, have modulating effects on both the near-wall small-scale fluctuations and the skin-friction drag, it is possible to construct a well-targeted control scheme by manipulating the large-scale structures. In this proposal, a spatially impulsive patch of dynamic roughness with the certain amplitude and frequency is amounted in a flat plate turbulent boundary layer, 3D3C-Tomo-PIV measurements are carried out downstream to reveal the dynamic roughness influence on the large-scale motions. Non-equilibrium boundary layer is developed downstream of the roughness perturbation which exhibits the phase-organizing influence, we will focus on the secondary coherent structures induced by the dynamic roughness, and their interactions with the large-scale structures along the streamwise, meanwhile, detecting the distribution of the skin-friction drag and analyzing their correlation with the disturbed large-scale structures, assess the performance of the dynamic roughness perturbation. As an attempt, the investigation of the dynamic roughness effects on the large-scale structures is trying to provide the logical proofs for the turbulent boundary layer control scheme. This investigation could have the potential application value on the transport system, and play an important role in the energy, environment and economy fields.

大尺度结构作为湍流边界层对数律区中最活跃、含能最高的拟序结构，不仅对内区小尺度结构具有调制作用，而且与壁面阻力的分布密切相关，这为湍流边界层控制提供了思路——对大尺度结构进行扰动作用。本项目拟在充分发展的平板湍流边界层中，加入按照一定幅值和频率周期性运动的动态粗糙元扰动，运用3D3C-Tomo-PIV对受扰动的流场进行测量，研究动态粗糙元对大尺度结构的影响机理。动态粗糙元周期性地改变了湍流边界层的平衡状态，在考虑其锁相特性的基础上：1、研究动态粗糙元诱导产生的二次流动结构，及其在下游与大尺度结构的相互作用、发展和演化；2、研究壁面摩擦速度的分布及其与大尺度结构的相关性，评价动态粗糙元的作用效果，总结动态粗糙元扰动对大尺度结构的影响规律。本项目通过探索动态粗糙元对大尺度结构的作用机理，为湍流边界层的控制提供理论依据。项目的开展，对输运系统具有潜在的应用价值，在节能、环保等方面具有重要意义。

本项目基于湍流边界层中大尺度结构对近壁内循环的调制作用，设计并实现了动态粗糙元对大尺度结构进行扰动作用，旨在对湍流边界层进行控制。分别在水槽和风洞环境中使用Tomographic-PIV和热线测速技术对扰动下游流场进行了形态学和动力学的实验研究。1）发现动态粗糙元扰动下游产生了周期性变化的二次流向涡结构，大尺度结构的空间尺度受扰动作用被减小，湍流边界层中的基本单元（小尺度发卡涡结构）的空间形态和动力学特性并没有受到明显的改变；2）湍流边界层多尺度分析表明大尺度结构对小尺度、耗散尺度均有幅值和频率调制作用，粗糙元扰动减弱了内区的调制强度，多尺度间的时域相位差更具同步特征，并表现出与积分尺度的直接相关性；3）发现湍流边界层中大尺度喷射事件对小尺度喷射事件特征具有调制作用，粗糙元扰动改变了大尺度喷射事件对小尺度喷射事件的调制强度，但是并没有对喷射事件调制作用产生本质性改变；4）基于压电振子激励器的局部动态扰动，得到了高达25%的局部减阻率，通过尺度作用分析发现，在近壁内循环区域和壁面之间出现了具有更强的能量线性相关的夹层区域，从多尺度作用角度解释了导致局部壁面减阻的原因。该项目研究工作，有助于进一步认识湍流边界层流动机理，同时也为湍流边界层的有效控制提供了指导性思路，具有重要的理论和工程实际意义。