基于PIV测量的三维圆柱尾流的实验研究

论文摘要

钝体绕流不仅在流体力学基础理论研究中具有重要意义,在工程领域也是一种非常常见的流动现象。圆柱绕流作为钝体绕流的一种简化模型,成为绕流研究中的典型对象。目前对圆柱尾流的研究主要聚焦在卡门涡,而肋状涡还有待更深的研究,同时高雷诺数下二次涡街起始位置判据是否依然适用并不清楚,此外由于分辨率不足的原因PIV对平均能量耗散率的测量也不够准确。因此对圆柱绕流进行深入研究,有利于进一步解释流动现象和解决工程问题。本文利用PIV测量技术对圆柱尾流（x,y）平面、（x,z）平面和（y,z）平面上的流场数据进行采集（x,y,z表示方向详见2.3节）,通过POD（本征正交分解）方法对三个方向上涡结构进行提取,评价基于PIV测量的POD方法（PIV-POD）涡提取效果。（x,y）平面上通过第1、2阶模态提取到大尺度卡门涡,（x,z）平面上提取到两种涡结构,一种为涡量沿y方向呈正负交替的涡,另一种为肋状涡,但不能分辨第一种涡结构的频率,相应模态下的肋状涡结构没有（x,y）平面上卡门涡明显,同时（y,z）平面上的肋状涡提取效果优于（x,z）平面。对热线测量的各方向数据同样进行了POD分析,对PIV-POD和热线POD方法分别在卡门涡和肋状涡两个分量上进行了比较,PIV-POD能够提取整个流场面上的大尺度相干结构,对于流场上相干结构的提取效果与模态的能量占比和能量分布有关,其对模态能量占比高、分布明显的大尺度卡门涡结构提取效果良好,对模态能量占比较低,分布不明显的肋状涡提取能力减弱。热线POD方法对卡门涡和肋状涡都有良好的提取效果,在卡门涡的提取上热线POD方法与PIV-POD具有相同的效果,而在肋状涡的提取上热线POD方法要明显优于PIV-POD方法。此外,对圆柱尾流中心线速度U和偶极矩密度M的分布进行了探讨。在x>10d的范围,低雷诺数下（Re=140～600）二次涡的起始位置都存在局部最小值,而高雷诺数下（Re≥2 000）中心线速度单调递增,偶极矩密度基本不变。不同雷诺数下两者的表现完全不同,高雷诺数下依然通过U和M的局部最小值来判断二次涡街的起始点是不合适的。本文对平均能量耗散率的PIV测量准确性也进行了分析。PIV测量结果低于热线测量和仿真结果,通过PIV修正方法对测量结果进行修正提高了PIV测量准确性。圆柱尾流中修正后的结果基本与热线测量和DNS结果一致。将修正方法延伸到边界层平均能量耗散率的PIV测量中,修正后的结果也和数值模拟结果基本一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究目的和意义
•     1.1.1 课题来源
•     1.1.2 研究目的及意义
•   1.2 国内外相关领域研究现状综述
•     1.2.1 尾流与肋状结构研究现状
•     1.2.2 国内外POD方法应用现状
•     1.2.3 国内外POD方法应用到圆柱绕流研究现状
•     1.2.4 PIV处理湍流小尺度研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
• 第2章 实验设计与数据分析方法
•   2.1 引言
•   2.2 实验设备
•   2.3 圆柱尾流实验
•     2.3.1 实验模型布局
•     2.3.2 实验参数
•   2.4 边界层数据与热线数据
•   2.5 相关数据分析方法
•     2.5.1 POD本征正交分解
•     2.5.2 PIV小尺度测量修正方法
•   2.6 本章小结
• 第3章 （x,y）平面相干结构提取与流动分析
•   3.1 引言
•   3.2 收敛性分析
•   3.3 （x,y）平面相干结构提取
•     3.3.1 能量分布
•     3.3.2 大尺度涡结构提取
•   3.4 热线POD与 PIV-POD比较
•   3.5 雷诺数对尾流中心线速度分布的影响
•   3.6 本章小结
• 第4章 （x,z）平面相干结构提取
•   4.1 引言
•   4.2 （x,z）平面大尺度涡结构提取
•     4.2.1 （x,z）平面能量分布
•     4.2.2 （x,z）平面大尺度结构涡提取
•   4.3 （x,z）平面肋状结构涡提取
•   4.4 热线POD与 PIV-POD比较
•   4.5 本章小结
• 第5章 （y,z）平面相干结构提取
•   5.1 引言
•   5.2 （y,z）平面肋状涡结构提取
•     5.2.1 （y,z）平面能量分布
•     5.2.2 （y,z）平面肋状涡结构提取
•   5.3 热线POD与 PIV-POD比较
•   5.4 本章小结
• 第6章 基于PIV测量的平均能量耗散率修正
•   6.1 引言
•   6.2 低分辨率PIV在格栅湍流中的修正
•   6.3 圆柱尾流速度梯度均方值修正分析
•   6.4 边界层速度梯度均方值修正分析
•   6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 朱特

导师: 唐顺林

关键词: 三维圆柱尾流,本征正交分解,二次涡,耗散率修正

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金-青年基金:雷诺数效应对小尺度湍流影响的实验研究

分类号: O357.5

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005604

总页数: 67

文件大小: 4972k