湍流边界层中两前后排列的有限长方柱尾流及被动标量传输特性实验研究

Flow and relevant pollutant transport/dispersion around high-rise buildings in modern cities involve three dimensional complex turbulent flows (i.e. turbulent boundary layer and the wake of finite-length square cylinders), mass transfer, etc. Based on our previous work of two staggered square cylinders wake, this project aims to investigate flow and passive scalar transport around two tandem finite-length square cylinders submerged in a turbulent boundary layer. Heat is used to mimic pollutant, given both are considered to be passive scalar. Firstly, the flow around the two square cylinders will be classified into different flow regimes, based on measured flow characteristics such as vortex shedding frequency and flow structures. Secondly, high-speed particle imaging velocimetry (PIV) will be employed to measure the flow in three orthogonal planes of each flow regime. The high-speed PIV measurements mainly focus on the temporal and spatial evolutions of the coherent structures (i.e. spanwise vortex, horse-shoe vortex and tip vortex). Thirdly, a three-wire (one x wire plus one cold wire) probe will be used to measure the heat flux and the relevant passive heat scalar behind the two square cylinders, which will be heated slightly. The heat flux vectors will be decomposed into coherent and incoherent parts so as to examine their topologies in the wake and also their contributions to the averaged heat flux and its downstream evolution. Finally, influence of the turbulent boundary layer on the flow and passive heat transport will be examined in detail.

城市建筑物之间的空气流动和污染物传输/扩散问题涉及三维湍流复合流动(即湍流边界层和有限长柱体三维尾流)以及质量传递等。基于申请者对两无限长方柱尾流特性的研究，本项目将研究湍流边界层中前后排列的两有限长方柱(长径比为5)三维尾流特性，并采用被动标量(热)模拟污染物，以研究污染物的传输/扩散特性。(1)基于尾流中漩涡结构的发展演化和脱落频率特征，对流动进行分类；(2)对每类流动，采用高速粒子图像测速仪(PIV)详细测量和分析三个正交平面内的流场结构，以深入理解主要拟序结构(横向涡、马蹄涡和端部涡)的时空发展演化；(3)采用三丝探头(一根x热线和一根冷线的组合)测量每类流动中方柱(稍微加热)尾流中的热流量和被动热标量传输特性(即热流量矢量中的拟序和非拟序部分的拓扑分布，以及它们对平均热流量和下游发展演化的贡献)。本项目将考虑湍流边界层对三维尾流(时均流场、雷诺应力等)以及被动标量传输特性的影响。

城市高层建筑物之间的空气流动以及污染物传输/扩散问题涉及三维湍流复合流动（包括湍流边界层、有限长柱体三维尾流，以及它们之间的相互作用）以及质量传输等。以此为研究背景，本项目研究平板湍流边界层中前后排列的两有限长方柱（长径比 = 5）的三维尾流特性；并采用被动标量（热）模拟污染物，以研究污染物的传输/扩散特性。本项目采用实验手段（热线测量和粒子图像测速PIV），主要开展了以下两个方面的研究内容：（1）考虑层流和湍流边界层（雷诺数分别为1.35*10^4和6.75*10^3），以及两有限长方柱不同间距L =（1D-10D，其中D为方柱宽）的不同情况，采用热线技术测量两有限长方柱尾流中的漩涡脱落频率（St），并分析St数随着L/D的变化关系以及对应的漩涡脱落频率特性，对流动进行分类；（2）针对每类流动，采用具有时间分辨力的高速PIV详细测量（雷诺数为6*10^3）和分析尾流中三个正交平面内的流场结构（包括漩涡结构和雷诺应力分布等），以深入理解主要流动结构的时空发展特性，并总结每类流动的主要特征。本项目已针对层流和湍流边界层两种不同情况，测量和分析得到St数随着L/D的变化关系：在层流边界层情况下，我们将L/D划分为4个区间，即L/D > 5，3.5 < L/D < 5，1.5 < L/D < 4，和1.0 < L/D < 1.5，不同区间对应不同的漩涡脱落频率特性；在湍流边界层情况下，我们将L/D划分为3个区间，即L/D > 2.5，1.5 < L/D < 2.5，和1.0 < L/D < 1.5，不同区间对应不同的漩涡脱落频率特性。而且，两种情况下的漩涡脱落频率特性存在显著区别。本项目已针对层流边界层的情况以及不同的流动分类，采用PIV测量了单个方柱以及两方柱尾流中三个正交平面内的流动结构，并对PIV测量结果进行统计分析，得到包括三个分量的平均速度场、平均涡量场以及雷诺应力场分布。本项目所取得的结果对于进一步研究湍流边界层中交错排列的两有限长方柱三维尾流具有重要的科学意义。