壁湍流调制雷诺应力和拟序结构应变率空间形态的层析PIV实验研究

贾永霞，姜 楠，2，3

（1.天津大学机械工程学院力学系，天津 300072；2.天津市现代工程力学重点实验室，天津 300072；3.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）

0 引 言

壁湍流是粘性流体经过固体表面一定阶段后，由于流动不稳定性的作用，在固壁表面附近很薄的一层区域内发展成为平均流速沿壁面法向变化很快（梯度很大），而瞬时流动又极端混乱的流体流动状态。壁湍流可以使航空航天飞行器和船舶的表面摩阻大幅度增加，也会影响地球表面附近大气污染物的输运过程［1］。拟序结构对壁湍流的产生、维持和发展以及流体的质量、动量、能量的输运起着非常重要的作用。为了研究壁湍流中拟序结构动力学，将与流动有关的物理量分解为长时间平均量、拟序结构量和随机脉动量f′三部分［2］：

式中，bki（k＝1，2，…，Z；i＝1，2，…，5）表示k等级第i项主要因素的隶属度集中值，即加权平均值。

然而，在方程（2）中出现一项调制雷诺应力项，

使得拟序结构动力学方程（2）不封闭。由于这一项是背景湍流雷诺应力的相位平均和长时间平均之差，Rij可以理解为拟序结构经过时背景雷诺应力的振动项，也称为调制雷诺应力。

应用空间流向局部平均速度结构函数的概念对湍流脉动速度信号进行分解，获得多空间尺度成分。为了分析一定空间尺度的湍流结构的流向拉伸、压缩变形，姜楠等［14］提出了局部平均结构函数的概念，描述长度为2a的一个湍流结构的流向拉伸或者压缩变形：

图6给出X－Z平面内拟序结构喷射过程中应变率分量与调制雷诺应力分量的空间相位平均分布等值面图，可以看出应变率6个分量的空间分布与对应的调制雷诺应力6个分量的空间分布的不一致性。……