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仿座头鲸鳍肢前缘单/双凸起翼段失速特性的实验研究

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实验流体力学 2024年

作者：时德伟陈乐天范子椰姜楠左志钢唐湛棋天津大学机械工程学院力学系清华大学能源与动力工程系天津市现代工程力学重点实验室

近年来，相关研究表明仿座头鲸鳍肢前缘凸起可以有效延缓翼段失速或者改善失速后翼段气动性能。为研究仿生前缘凸起翼型的流动分离现象，针对二维平直翼段NACA 634-021以及带有单个和两个前缘凸起的改型翼段开展了粒子图像测速(PIV)实... 详细信息

近年来，相关研究表明仿座头鲸鳍肢前缘凸起可以有效延缓翼段失速或者改善失速后翼段气动性能。为研究仿生前缘凸起翼型的流动分离现象，针对二维平直翼段NACA 634-021以及带有单个和两个前缘凸起的改型翼段开展了粒子图像测速(PIV)实验研究。对比了不同迎角下各翼段吸力面的平均速度、湍动能等统计量的分布，并对实验数据进行了本征正交分解(POD)模态分析，从能量的角度对失速过程中的流动结构进行了研究。研究发现，单、双凸起翼段都具有两步失速特性，当发生单侧失速时，凸峰处存在稳定的附着流动，抑制了失速区向凸起另一侧的扩展，起到了类似于翼刀的作用；相比于单凸起翼段，双凸起翼段在更小的迎角发生失速模式的转换；POD分解的各阶模态的能量大小与翼段所处的失速模式有关，失速模式的切换同时导致流场中流动结构的特征发生变化；单凸起翼段处于单侧失速与双侧失速转换的临界迎角时，流动分离模式具有不稳定性。本研究为仿生前缘凸起翼型的理论研究和工程应用提供了实验参考。

关键词：仿生前缘凸起粒子图像测速本征正交分解流动分离流动结构

平板湍流边界层湍动能时空多尺度分布特征与典型结构

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Acta Mechanica Sinica 2024年第3期40卷 61-71页

作者：王芊翔范子椰岳巾会白建侠程肖岐田海平姜楠 Department of Mechanics School of Mechanical EngineeringTianjin UniversityTianjin300354China Department of Mathematics Tianjin Renai CollegeTianjin301636China Department of Mechanics Taiyuan University of TechnologyTaiyuan030024China

应用四相机阵列高时间分辨粒子图像测速系统,测量平板湍流边界层7.26δ_(0.99)×1.18δ_(0.99)大视场瞬态速度场的大样本时间序列,实验雷诺数Re_(τ)=1046.在所有法向层沿流向方向进行空间多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得到湍... 详细信息

应用四相机阵列高时间分辨粒子图像测速系统,测量平板湍流边界层7.26δ_(0.99)×1.18δ_(0.99)大视场瞬态速度场的大样本时间序列,实验雷诺数Re_(τ)=1046.在所有法向层沿流向方向进行空间多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得到湍动能随脉动空间尺度和法向位置的分布;同时对每个空间点脉动速度时间序列在时间上进行多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得到湍动能随脉动时间尺度和法向位置的分布;计算出去除多尺度相干结构前后的平坦因子随脉动空间尺度和法向位置的分布.使用空间小波系数过零点法对流场的湍流结构进行检测,用条件采样和空间相位平均的方法获得各尺度不同法向位置湍流结构的空间典型拓扑,发现湍流小尺度结构涡量的空间拓扑呈现沿流向和法向正负交替的四极子结构,流线表现为鞍点和焦点组成的动力系统,肯定了湍流小尺度结构的普适性;计算去除相干结构前后的标度指数ζ(p),发现多尺度相干结构是引起奇异标度律的原因.

关键词： Arrayed TRPIV Turbulent boundary layer Coherent structure Wavelet transform Scaling law

Experimental investigation of closed-loop active control to modulate coherent structures by mu-level method

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Chinese Physics B 2024年第7期33卷 408-417页

作者：白建侠范子椰姜楠李秋营郑小波 Department of Mathematics Tianjin Renai CollegeTianjin 301636China Institute of Mechanics Department of MechanicsSchool of Mechanical EngineeringTianjin UniversityTianjin 300354China College of Energy and Power Engineering Lanzhou University of TechnologyLanzhou 730050China Tianjin Key Laboratory of Modern Engineering Mechanics Tianjin 300354China

The experimental research on zero-net-mass-flux jet closed-loop active control was conducted in the wind *** mu-level method successfully detected burst events of the coherent structures. The streamwise velocity signals in the turbulent boundary layer were measured by HWA. The drag reduction rate of 16.7% is obtained comparable to that of the open-loop control and saves 75% of the input energy at the asynchronous 100 V/160 Hz control case, which reflects the advantages of the closed-loop control. The experimental findings indicate that the intensity increases in the near-wall *** perturbation of the PZT vibrators on the skewness factor is concentrated in the region y+< 60. The generation of highspeed fluids is depressed and the downward effect of high-speed fluids weakens. The alteration of energy distribution and the discernible impact of modulation between structures of varying scales are observed. The correlation coefficient exhibits a strong positive correlation, which indicates that the large-scale structures produce modulation effect on small-scale *** occurrence of burst events is effectively suppressed. The disturbance has the characteristics of stable periodicity,positive and negative symmetry, low intermittency, and high pulsation strength. The conditional phase waveform shows that the fluctuation amplitude increases, indicating amplitude modulation effects on coherent structures.

关键词： turbulent boundary layer(TBL) burst event coherent structures mu-level method

湍流边界层大尺度相干运动的阵列TRPIV测量

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空气动力学学报 2022年第1期40卷 49-56页

作者：王轩范子椰唐湛棋姜楠天津大学机械工程学院天津300354 天津市现代工程力学重点实验室天津300354

使用高时间分辨粒子图像测速技术,研究湍流边界层中大尺度相干运动。由于大尺度运动的流向空间尺度与边界层厚度δ有关,因此沿流向排列4个高速相机进行拍摄,得到了约6.7δ×1.2δ的湍流边界层大视场,实验雷诺数Re_(τ)=422。针对流场中... 详细信息

使用高时间分辨粒子图像测速技术,研究湍流边界层中大尺度相干运动。由于大尺度运动的流向空间尺度与边界层厚度δ有关,因此沿流向排列4个高速相机进行拍摄,得到了约6.7δ×1.2δ的湍流边界层大视场,实验雷诺数Re_(τ)=422。针对流场中不同法向高度的流向脉动速度,采用沿流向方向进行空间小波变换的方法,得到不同空间尺度分量的脉动速度,并计算其占总流向脉动动能的比例,发现湍流边界层外区存在流向最大能量流向尺度,约为1δ。通过小波分解将湍流脉动速度场分为大尺度分量和小尺度分量。使用速度门限法,沿时间序列提取大尺度相干运动,利用泰勒冻结假设,将时间结构转化为空间结构,并与直接从空间得到的大尺度相干结构做对比。使用相位平均法测得大尺度相干结构的几何形态,发现从时间维度和直接从空间维度得到的喷射事件的流向尺度相近,而直接从空间提取的扫掠事件要比从时间提取的大。结果表明:流场中1δ尺度左右的大尺度运动是湍动能的主要贡献者;利用泰勒冻结假设可以从时间中提取出大尺度相干结构,与从流场空间直接提取的结果有着良好的一致性。

关键词：湍流边界层大尺度运动小波变换条件平均 TRPIV

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湍流边界层大尺度相干结构空间相位平均拓扑

力学与实践 2022年第1期44卷 22-29页

作者：岳巾会范子椰姜楠天津大学机械工程学院天津300354 天津市现代工程力学重点实验室天津300354

湍流边界层大尺度相干结构(large-scale coherent structure,LSCS)是目前湍流边界层研究的热点之一。湍流边界层中存在大尺度相干结构均是通过各种谱的低波数峰值证实的,而对大尺度相干结构各种物理量的空间拓扑形态及其发展演化规律还... 详细信息

湍流边界层大尺度相干结构(large-scale coherent structure,LSCS)是目前湍流边界层研究的热点之一。湍流边界层中存在大尺度相干结构均是通过各种谱的低波数峰值证实的,而对大尺度相干结构各种物理量的空间拓扑形态及其发展演化规律还缺乏研究。应用高时间分辨粒子图像测速多相机阵列系统,测量湍流边界层大尺度相干结构各种状态的空间拓扑。实验雷诺数Reτ=422,采用沿流向方向按顺序排列四个高速相机同步拍摄,得到约6.7δ×1.2δ的大视场。在所有法向层沿流向方向进行空间多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得到湍动能随流向尺度和法向位置的分布,根据各尺度小波系数的正负极值点检测各尺度相干结构喷射和扫掠的拓扑中心,使用条件采样和空间相位平均的方法测得各尺度相干结构喷射和扫掠阶段的空间拓扑形态,分别得到喷射与扫掠事件的脉动速度矢量、展向涡量、流线等物理量的空间相位平均拓扑,发现大尺度喷射和扫掠事件的结构都是多个小涡组成的大尺度涡包结构,每个小涡的流线形成鞍点和焦点组成的局部不稳定动力系统。

关键词：湍流边界层大尺度相干结构小波变换相位平均

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壁湍流等动量区空间分布的实验研究

实验流体力学 2023年

作者：程肖岐范子椰唐湛棋白建侠姜楠天津仁爱学院数学教学部天津大学机械工程学院天津市现代工程力学重点实验室

为深入探索湍流边界层等动量区的空间分布特性，使用大视场粒子图像测速仪在水洞中测量了平板湍流边界层流法向平面内的速度矢量场。通过计算流向速度的概率密度函数，得到不同时刻和空间位置处的等动量区分布，分析不同数量的等动量区... 详细信息

为深入探索湍流边界层等动量区的空间分布特性，使用大视场粒子图像测速仪在水洞中测量了平板湍流边界层流法向平面内的速度矢量场。通过计算流向速度的概率密度函数，得到不同时刻和空间位置处的等动量区分布，分析不同数量的等动量区沿流向的持续距离以及出现频率。不同等动量区数量下，其对应的流向持续距离和流向间隔具有显著差异。当等动量区数量与其平均值相近时，等动量区在流向的持续距离较长，且流向间隔较小、出现频率较大；反之，当等动量区数量与其平均值相差较大，其对应的流向持续距离较短，且流向间隔较大、出现频率较低。

关键词：等动量区湍流边界层粒子图像测速仪相干结构空间分布

流向凹曲率壁面湍流边界层的TRPIV实验研究

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实验流体力学 2022年第6期36卷 1-9页

作者：王轩范子椰陈乐天唐湛棋姜楠天津大学机械工程学院天津300354 天津市现代工程力学重点实验室天津300354

带有曲率和压力梯度作用的湍流边界层广泛地存在于各类工程应用中。以带有流向凹曲率的壁面(简称凹壁面)模型为研究对象,利用双相机大小视场的TRPIV系统分别测量了上游和下游两个不同流向位置的瞬时速度场。以光滑平板模型的实验数据为... 详细信息

带有曲率和压力梯度作用的湍流边界层广泛地存在于各类工程应用中。以带有流向凹曲率的壁面(简称凹壁面)模型为研究对象,利用双相机大小视场的TRPIV系统分别测量了上游和下游两个不同流向位置的瞬时速度场。以光滑平板模型的实验数据为基准,研究了凹壁面上湍流边界层的变化规律。通过对比光滑平板的平均速度剖面和雷诺应力剖面,发现凹壁面情况下的平均速度剖面逐渐偏离了传统对数律,且湍流强度比平板情况下更弱。以Λci准则识别出的顺向涡为条件进行条件相位平均,发现凹壁面中涡上方正脉动的峰值与空间尺度的变化相反,而下方的负脉动比平板情况更强。进一步使用空间两点相关方法提取相干结构,同时利用椭圆拟合的方法计算近壁区相干结构与壁面的倾角,发现凹壁面上相干结构沿流向的空间尺度逐渐增大。结果表明:当湍流边界层受到凹曲率和顺压梯度的共同作用时,近壁附近与尾迹区内湍流强度的差异增大,同时边界层内相干结构的旋涡强度增加;随着向下游的发展,缓冲层附近顺向涡上方正脉动的空间尺度增大,但峰值降低,而在对数律区的上侧则产生了相反的现象;凹壁面湍流边界层内相干结构向更高法向高度迁移的趋势减弱,且相干结构的空间尺度在下游一侧的增长幅度更大。

关键词：流向曲率顺压梯度湍流边界层 TRPIV 相干结构

柔性锯齿形尾缘流动分离控制实验的多尺度相干结构研究

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实验流体力学 2022年第6期36卷 19-27页

作者：巩绪安张鑫马兴宇范子椰唐湛棋姜楠天津大学机械工程学院力学系天津300354 天津市现代工程力学重点实验室天津300354 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000

本文采用柔性锯齿形尾缘进行了流动分离控制风洞实验。利用高频响热线风速仪测量了翼型尾流场,结合瞬时强度因子迭代算法,在时域、频域提取出多尺度湍流相干结构,分析了弹性振动和柔性形变对扰动传播不稳定性的影响。实验结果表明:尾流... 详细信息

本文采用柔性锯齿形尾缘进行了流动分离控制风洞实验。利用高频响热线风速仪测量了翼型尾流场,结合瞬时强度因子迭代算法,在时域、频域提取出多尺度湍流相干结构,分析了弹性振动和柔性形变对扰动传播不稳定性的影响。实验结果表明:尾流中分离区厚度减小5%弦长,柔性锯齿形尾缘跟随来流自适应变形摆动,吸收了约20%的尾缘剪切层中的湍动能,产生的大尺度扰流涡持续传递至前缘剪切层,降低了很大范围低频带宽内的功率谱密度,具有良好的降噪效果;脱落涡中相干结构的振幅和发生频率显著削弱,对尾流分离区边界移动、大型涡包破碎和抑制传播的作用非常明显。

关键词：流动分离柔性材料锯齿形小波分析多尺度相干结构

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仿生前缘凸起机翼失速特性的PIV实验研究

仿生前缘凸起机翼失速特性的PIV实验研究