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雷诺应力各向异性涡黏模型的层析TRPIV测量

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力学学报 2012年第2期44卷 213-221页

作者：姜楠管新蕾于培宁天津大学力学系天津300072 天津市现代工程力学重点实验室天津300072

利用层析TRPIV测量水洞中平板湍流边界层3D-3C速度场的高分辨率时间序列数据库.提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速... 详细信息

利用层析TRPIV测量水洞中平板湍流边界层3D-3C速度场的高分辨率时间序列数据库.提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解.用空间流向局部平均多尺度速度结构函数,根据湍流多尺度涡结构在流向的拉伸和压缩物理特征,提出了新的湍流相干结构条件采样方法,检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构"喷射"和"扫掠"事件中的脉动速度、平均速度变形率、雷诺应力等物理量的空间拓扑形态.通过研究平均速度变形率各分量与雷诺应力各分量之间的空间相位差异,肯定了壁湍流相干结构雷诺应力各向异性复涡黏模型的合理性.

关键词：壁湍流相干结构局部平均速度结构函数平均速度变形率雷诺应力各向异性涡黏模型

湍流边界层相干结构空间拓扑形态的层析TRPIV测量

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航空动力学报 2012年第5期27卷 1113-1121页

作者：姜楠于培宁管新蕾天津大学机械工程学院力学系天津300072

用层析TRPIV(time-resolved paticle image velocimetry)技术精细测量了水洞中平板湍流边界层三分量速度的时空序列信号,提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局... 详细信息

用层析TRPIV(time-resolved paticle image velocimetry)技术精细测量了水洞中平板湍流边界层三分量速度的时空序列信号,提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解.用空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,根据湍流多尺度涡结构在空间流向的拉伸和压缩特征,提出了新的湍流相干结构条件采样方法,检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构的"喷射"和"扫掠"事件中的速度、涡量等物理量的空间拓扑形态.发现在喷射和扫掠事件中均存在一对反向旋转的准流向"马蹄形"涡结构.

关键词：层析TRPIV(time-resolved paticle image velocimetry) 湍流边界层相干结构局部平均结构函数喷射扫掠

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高聚物减阻溶液对壁湍流输运过程的影响

物理学报 2015年第9期64卷 397-405页

作者：管新蕾王维姜楠天津大学机械工程学院力学系天津300072 天津市现代工程力学重点实验室天津300072 南开大学天津大学刘徽应用数学中心天津300072

基于相同雷诺数下清水和高分子聚合物溶液壁湍流的高时间分辨率粒子图像测速技术(time-resolved particle image velocimetry,TRPIV)的对比实验,从高聚物溶液对湍流边界层动量能量输运影响的角度分析其减阻的机理.对比两者的雷诺应力发... 详细信息

基于相同雷诺数下清水和高分子聚合物溶液壁湍流的高时间分辨率粒子图像测速技术(time-resolved particle image velocimetry,TRPIV)的对比实验,从高聚物溶液对湍流边界层动量能量输运影响的角度分析其减阻的机理.对比两者的雷诺应力发现高聚物的存在抑制了湍流输运过程.这一影响与高聚物对壁湍流中占主导地位的涡旋运动和低速条带等相干结构的作用密切相关.运用条件相位平均、相关函数和线性随机估计(linear stochastic estimation,LSE)等方法,分析提取了高聚物溶液流场中的发卡涡和发卡涡包等典型相干结构的空间拓扑形态.相比于清水,高聚物溶液中相干结构的流向尺度增大,涡旋运动的发展及低速流体喷射的强度受到削弱,表明了添加的高聚物阻碍了湍流原有的能量传递和自维持的机理.正是通过影响相干结构,高聚物抑制了湍流边界层中近壁区与外区之间的动量和能量输运,使得湍流的无序性降低,从而减小了湍流流动的阻力.

关键词：壁湍流减阻动量能量输运高聚物

高分子溶液壁湍流减阻机理的TRPIV实验研究

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实验力学 2013年第4期28卷 422-430页

作者：蒋营营管新蕾姜楠天津大学力学系天津300072 天津市现代工程力学重点实验室天津300072 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100090 南开大学天津大学刘徽应用数学中心天津300072

利用高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV)对回流式水槽中低浓度高分子溶液壁湍流的减阻机理进行实验研究。通过对比分析高分子溶液和纯水平板湍流边界层在相同来流速度下的平均速度剖面、湍流强度和雷诺应力,发现高分子溶液的壁面摩擦... 详细信息

利用高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV)对回流式水槽中低浓度高分子溶液壁湍流的减阻机理进行实验研究。通过对比分析高分子溶液和纯水平板湍流边界层在相同来流速度下的平均速度剖面、湍流强度和雷诺应力,发现高分子溶液的壁面摩擦阻力减小了21.77%,并且其缓冲层增厚,按对数律外移,雷诺应力减小;高分子聚合物主要在近壁区起到抑制湍流脉动的作用,而在主流区的作用不太明显。用流向局部平均多尺度速度结构函数和相干结构条件采样方法,检测并对比了高分子溶液和水的壁湍流相干结构"喷射"和"扫掠"事件中的脉动速度、展向涡量、雷诺应力等物理量的二维拓扑形态,发现高分子溶液近壁区相干结构在猝发时的脉动速度减小,涡量受到抑制,雷诺应力明显减小,说明高分子溶液湍流近壁区相干结构"喷射"和"扫掠"的强度变弱,猝发频率降低,动量和能量的输运减弱,揭示出高分子溶液减阻的重要机理。

关键词：高分子溶液减阻高时间分辨率粒子图像测速壁湍流相干结构

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湍流边界层各向异性张量模式的实验研究

实验流体力学 2013年第5期27卷 11-15页

作者：王维管新蕾姜楠天津大学机械工程学院力学系天津300072 天津市现代工程力学重点实验室天津300072 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100080 南开大学-天津大学刘徽应用数学中心天津300072

使用高时间分辨率粒子图像测速技术在水槽内精细测量平板湍流边界层内不同流向、法向位置的瞬时速度矢量空间场的时间序列信号。利用实验数据对湍流各向异性的涡黏张量模式进行了实验研究,给出了湍流边界层不可压缩槽道湍流中各向异性... 详细信息

使用高时间分辨率粒子图像测速技术在水槽内精细测量平板湍流边界层内不同流向、法向位置的瞬时速度矢量空间场的时间序列信号。利用实验数据对湍流各向异性的涡黏张量模式进行了实验研究,给出了湍流边界层不可压缩槽道湍流中各向异性的涡黏张量各分量的空间分布规律。各向异性的涡黏张量分量的空间分布揭示了流向平均速度的法向梯度对雷诺应力三个分量的不同贡献。涡黏张量三个分量空间上的不同规律说明对涡黏张量的各向异性的考虑是合理的,而各向同性的涡黏模型不适宜描述剪切湍流雷诺应力的物理本质。

关键词：湍流边界层湍流模式雷诺应力涡黏张量粒子图像测速

高分子溶液湍流边界层相干结构的TRPIV实验研究

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高分子溶液湍流边界层相干结构的TRPIV实验研究

中国力学大会-2015

作者：管新蕾王维姜楠中国矿业大学电力工程学院天津大学机械工程学院

利用高时间分辨率粒子图像测速技术,以侧视和俯视2种方式多角度地,对水槽中平板湍流边界层流场进行测量.从边界层中主导性的相干结构入手,运用条件相位平均、相关函数和线性随机估计等方法,分析提取了高分子溶液流场中的发卡涡和发卡涡...

利用高时间分辨率粒子图像测速技术,以侧视和俯视2种方式多角度地,对水槽中平板湍流边界层流场进行测量.从边界层中主导性的相干结构入手,运用条件相位平均、相关函数和线性随机估计等方法,分析提取了高分子溶液流场中的发卡涡和发卡涡包等典型相干结构的空间拓扑形态.

关键词：

高分子聚合物溶液减阻特性的TR-PIV实验研究

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高分子聚合物溶液减阻特性的TR-PIV实验研究

第七届全国流体力学学术会议

作者：姚世勇管新蕾姜楠天津大学机械工程学院力学系天津市现代工程力学重点实验室中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室

本文利用二维高分辨率TR-PIV对高分子聚合物水溶液减阻性能进行了实验研究。实验测量了水槽中不同雷诺数下充分发展的减阻溶液和清水平板的湍流边界层流场,减阻溶液是质量浓度为190ppm的聚丙乙烯酰胺(PAM)水溶液。研究结果表明,加入高... 详细信息

本文利用二维高分辨率TR-PIV对高分子聚合物水溶液减阻性能进行了实验研究。实验测量了水槽中不同雷诺数下充分发展的减阻溶液和清水平板的湍流边界层流场,减阻溶液是质量浓度为190ppm的聚丙乙烯酰胺(PAM)水溶液。研究结果表明,加入高分子聚合物后,壁面摩擦速度减小。随着雷诺数的增大,减阻率变大。减阻溶液的对数律平均速度剖面具有与清水同样的斜率,但减阻溶液的缓冲层增厚,对数层上移,具有明显的减阻特征。随着雷诺数的增大,高分子聚合物水溶液在流向和法向的湍流度以及雷诺剪切应力要比清水的小。相空间象限分裂法分析表明喷射和扫掠事件是主要的雷诺应力贡献者,尤其是喷射事件虽然发生概率小于扫掠事件,但是其贡献量大于后者,突出了喷射事件的重要性。运用在局部平均速度结构函数的基础上改进的象限分裂法对流向的统计量进行相干结构各物理量空间相位平均拓扑形态分析,发现高分子聚合物水溶液能明显地抑制壁湍流相干结构喷射和扫掠的强度。

关键词：湍流边界层减阻高分子聚合物 TR-PIV 局部平均速度结构函数

高分子溶液壁湍流减阻机理的TRPIV测量研究

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高分子溶液壁湍流减阻机理的TRPIV测量研究

中国力学大会——2013

作者：姜楠管新蕾成璐天津大学机械工程学院力学系天津现代工程力学重点实验室中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室南开大学天津大学刘徽应用数学中心

从湍流动量输运的角度详细地阐述了高聚物溶液对壁湍流的影响,进一步探索其减阻的机理。实验利用二维TRPIV技术对壁湍流高聚物溶液的减阻机理进行了实验测量研究。在相同雷诺数下,分别测量了减阻溶液和清水的流向-法向和流向-展向湍流...

从湍流动量输运的角度详细地阐述了高聚物溶液对壁湍流的影响,进一步探索其减阻的机理。实验利用二维TRPIV技术对壁湍流高聚物溶液的减阻机理进行了实验测量研究。在相同雷诺数下,分别测量了减阻溶液和清水的流向-法向和流向-展向湍流流场。

关键词：

高聚物减阻溶液壁湍流复涡黏模型的TRPIV测量

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高聚物减阻溶液壁湍流复涡黏模型的TRPIV测量

第十三届全国实验力学学术会议

作者：姜楠管新蕾杨绍琼姚世勇天津大学力学系天津现代工程力学重点实验室中国科学院力学研究所非线力学国家重点实验室

Toms于1949年首次发现极少量的长链高分子聚合物能减少湍流流动阻力,提高输运量,降低能耗。减阻问题在近代流体工程中日益处于重要地位,这一独特的减阻现象之后也引起了广泛关注。在输油管道中,只需加入几十p.p.m的聚合物,就能大幅降低... 详细信息

Toms于1949年首次发现极少量的长链高分子聚合物能减少湍流流动阻力,提高输运量,降低能耗。减阻问题在近代流体工程中日益处于重要地位,这一独特的减阻现象之后也引起了广泛关注。在输油管道中,只需加入几十p.p.m的聚合物,就能大幅降低泵送功率,增加输油量,从而使减阻流体在原油和成品油输送等工业中具有广阔的应用前景。因此,研究添加剂减阻对管道输油领域具有重要的意义。在过去的六十多年中,学者们做了大量高聚物减阻的实验,其中包括湍流统计理论研究和湍流相干结构的研究。但目前为止,作者还没有发现有关减阻溶液壁湍流相干结构各向异性的复涡黏模型的报道。湍流雷诺应力的涡黏性模型最早是由Bouinessq仿照牛顿流体粘性应力的本构方程建立的,但与牛顿流体粘性应力不同,湍流雷诺应力主要由不同尺度各向异性的相干结构产生,很少是各向同性的。现代研究已经发现,即使在均匀各向同性湍流中,也存在着各向异性的涡丝状相干结构。因此,从一般意义上讲,雷诺应力涡黏模型中的涡黏系数应该是各向异性的,对于不同的雷诺应力分量和平均速度变形率分量,应该对应不同的涡黏系数分量。本文实验利用二维高分辨率的TRPIV测量水槽中充分发展的同雷诺数下的减阻溶液和清水湍流流场。减阻溶液为质量浓度190 p.p.m的聚丙烯酰胺(PAM)水溶液。两组不同雷诺数下,加入高聚物分子后,摩擦速度减小,减阻率均达到17%-18%。与清水的相比,减阻溶液速度剖面中的缓冲层增厚,对数层上移,具有明显的减阻特征。而后运用基于局部速度结构函数的mu-level法检测并提取了相干结构猝发过程中的平均速度变形率和雷诺应力的空间拓扑形态,确定了减阻溶液中的拓扑结构略小于清水中的拓扑结构,说明高聚物分子的存在抑制了湍流流体的剪切变形和动量输运。研究减阻溶液中的平均速度变形率各分量与雷诺应力各分量之间的空间相位差异,发现雷诺应力在数值上比速度变形率小,但它的空间尺度却大于平均速度变形率的空间尺度。两者的空间相位在一定程度上相似,雷诺应力多为在法向上的大尺度条带结构,速度变形率则呈现出在流向周期性的法向条带形态。湍流涡黏模型在一定程度上能够模拟壁湍流相干结构雷诺应力,肯定了壁湍流相干结构雷诺应力各向异性复涡黏模型在减阻溶液中的合理性。

关键词：壁湍流相干结构减阻溶液平均速度变形率雷诺应力各向异性涡黏模型