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湍流边界层Lagrangian拟序结构的辨识
实验地点:北京航空航天大学流体力学实验室
实验模型及PIV设备:低速回流式水槽、EM3-03M200-1500型PIV设备部件  

 

   

        EM3-03M200-1500PIV设备特点:1.5W的半导体激光器;CCD相机分辨640pix×480pix,最高采样频率为200Hz。用连续激光+高速CCD相机的组合方式来代替双曝光激光+低速CCD相机,并实现时间维度上的连续测量。

 

实验内容及布置
    使用商用软件Microvec分析粒子图片,进而得到速度场。使用软件包MANGEN计算FLTE场,流体质点的迹线由四阶Runge-Kutta-Fehlberg积分方法通过速度场推进得到。
            
分析
 
 FTLE在充分发展湍流边界层中(t, y)平面内分布的示意图,x=1100mmΔt=0.5s
 
 
    用FTLE场、平移坐标系下的速度向量和涡量场三种方法辨识旋涡结构的对比
 

LCS倾斜角θ在不同法向高度上的概率密度分布

 

五.结论:
    
  
    应用基于Lagrangian体系的有限时间Lyapunov方法,从PIV测量得到的充分发展湍流边界层二维速度场中辨识具有Lagrangian性质的拟序结构。典型的LCS在(x, y)平面内呈现向壁面倾斜的条带状形态, 这种LCS显示的是广义马蹄涡在侧视图上的投影。将有限时间Lyapunov方法与速度向量法在旋涡辨识能力上进行对比,发现FTLE方法不需要试算马蹄涡涡头的对流速度即可直观地给出马蹄涡的空间形态.
     FTLE场进行了时间—空间相关分析,得到广义马蹄涡的平均流向对流速度,对流速度沿法向的分布与当地边界层对数区的时均速度型基本一致,说明在湍流边界层中,马蹄涡的对流决定了边界层内的流体输运特性。
 
 
本实验资料由北京航空航天大学 潘翀(博士)提供
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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