展向非均匀粗糙壁湍流的二次流动特性及机理实验研究

Secondary flows, in terms of time-invariant large-scale roll motions and spanwise variations of statistics in the cross-stream plane, have been observed in turbulent boundary layers over spanwise heterogeneous rough walls. However, under what conditions are the secondary flows generated? What are the underlying mechanisms of the secondary flow? And how are the boundary layer and coherent structures affected by the secondary flow? These questions remains unclear and fascinating. The proposed project builds on our previous work and aims to explore these issues. A systematic experimental study will be conducted to investigate effects on the secondary flows by the key parameters of the spanwise heterogeneous rough wall, including width, spacing and roughness height ratio of the high- and low-roughness lanes. Simultaneous measurements of two orthogonal planes (i.e., a wall-parallel plane located at the log region and a cross-stream plane) in the boundary layer will be carried out by using two sets of stereo-PIV. Comprehensive analyses of the PIV data will be conducted based on different methods such as vortex detection, spatial correlation, mode decomposition and linear stochastic estimation. Comparison will be made with the flows over a smooth wall and a homogeneous rough wall with either high- or low-roughness. This project will not only unearth the physical mechanisms of the secondary flows but improve our understanding of the turbulent boundary layers over spanwise heterogeneous rough walls.

沿展向非均匀分布的粗糙壁所产生的湍流边界层存在二次流动，表现为垂直流向平面内的大尺度、时均漩涡运动，以及各阶统计量沿展向非均匀分布。但是，这种二次流动的产生条件及机理是什么？边界层特性及拟序结构受到的影响如何？这些问题并不清楚。基于前期工作，本项目将系统地改变展向非均匀粗糙壁的主要参数（即粗糙条带宽度、间距，以及特征高度比），有针对性地研究各主要参数对流动的影响，找到相应的临界值，探索二次流动的形成条件及机理；并与光滑壁湍流及均匀粗糙壁湍流比较，系统地分析展向非均匀粗糙壁湍流统计特性及拟序结构特征。拟采用两套体式Stereo-PIV的组合方式，同时测量两个正交平面（即平行壁面的平面和垂直流向的平面）内的流动。将采用多种拟序结构识别及统计分析方法（如特征识别、空间条件相关、模态分解，以及线性随机预测等）分析数据，以期揭示大尺度二次流动的形成条件及机理，并提升对展向非均匀粗糙壁湍流的理解。

展向非均匀粗糙壁湍流广泛存在于自然界和工程应用中，深入理解其流动特性有助于建立更接近工程实际的计算预测模型。研究已发现展向非均匀粗糙壁湍流边界层中存在二次流动现象，表现为大尺度时均流向漩涡运动，以及各阶统计量沿展向非均匀分布。为了揭示这种大尺度二次流动现象的形成条件和机理，本项目以实验研究为手段，有针对性且相对独立地研究了主要参数（粗糙带展向宽度和粗糙元高度比）对流动的影响。首先，基于零压梯度平板湍流边界层实验（摩擦雷诺数约为1000），采用具有时间分辨力的体视粒子图像测速（SPIV）技术测量了展向非均匀粗糙壁湍流边界层流动。实验涵盖基准光滑壁流动以及7种不同的展向非均匀粗糙壁流动；其中，展向非均匀粗糙壁包括4种不同的展向“高粗糙带/低粗糙带/高粗糙带”分布形式（低粗糙带宽度为0.5，1.0，1.5和2.0倍边界层厚度），1种展向“高粗糙带/低粗糙带/高粗糙带/低粗糙带”交替分布形式（粗糙带宽度约为1.0倍边界层厚度），以及2种展向“高粗糙带/低粗糙带”分布形式（粗糙元高为11.1和7.9个壁面单位）。其次，基于SPIV测量得到的速度场数据以及多种处理方法（互相关、本征正交分解、条件平均和能谱等），开展了数据分析工作并深入探讨了二次流动机理。基于已开展的工作，本项目取得以下主要结果：（1）粗糙带宽度独立影响着二次流动的尺度和强度；当低粗糙带宽度与边界层厚度相当时，其上方产生最强的二次流动；随着低粗糙带宽度继续增加，二次流动减弱。（2）高低粗糙带交界处存在二次流动，低粗糙带一侧出现上抛运动，而高粗糙带一侧出现下洗运动；随着粗糙单元高度比值增加，二次流动强度单调增加。（3）与基准流动情况相比，展向非均匀粗糙壁湍流中的大尺度含能结构（速度条带）的侧向不稳定性增强，对大尺度时均二次流动的形成起着主要作用。本项目已取得的主要结果揭示了展向非均匀粗糙壁各主要参数对大尺度时均二次流动的影响规律，加深了对展向非均匀粗糙壁湍流特性的理解，为进一步简化模型实验以及计算模型提供依据。