基于分子标记技术的壁面温度对湍流边界层流动结构影响机理研究

Turbulent boundary layer flow with the effect of wall temperature exists widely in nature and industry. However, there is no appropriate flow diagnostic method to comprehensively consider the effect of both temperature and fluid viscosity, which limits the further understanding of the effect of wall temperature on the turbulent boundary layer. In this research, a novel molecular tagging technique will be developed to synchronously measure the velocity and temperature distributions within the region of turbulent boundary layer. Based on the flow flied results measured by using the novel technique, the evolution of coherent structures in the turbulent boundary layer with wall temperature will be identified. In addition, the relationship between coherent structures and turbulent statistics will be established to reveal the transportation of momentum and heat fluxes within different scales of coherent structures. This research will not only enrich the experimental methods on boundary layer measurement and the knowledge on turbulent flow mechanism, but also produce experimental and theoretical basis for solving the engineering problems caused by the discrepancy between fluid temperature and wall temperature, such as aircraft thermal protection, boundary layer control and the cooling of aero engine high-temperature components.

由流体和固体壁面温度差异导致的冷/热壁面边界层流动在自然界和工业界中广泛存在。然而，目前仍缺乏先进流动测量手段来综合考虑边界层内温度及流体粘性的共同作用，从而限制了人们对壁面温度对湍流边界层影响机理的深入认识。为此，本申请将首先针对冷/热壁面湍流边界层特点，发展可以实现边界层内瞬态速度场及温度场同步测量的新型实验技术；然后，以湍流边界层拟序结构为切入点，通过对测量结果的分析识别湍流边界层拟序结构并研究拟序结构随壁面温度的演化过程，同时建立拟序结构和湍流统计量之间的对应关系，分析动量及热量在不同尺度拟序结构之间的输运及耗散过程，从而透彻地揭示壁面温度对湍流边界层影响的物理机制。本申请的研究将进一步丰富湍流边界层实验测试手段及人们对湍流复杂流动机理的认知，并为解决在飞行器热防护及边界层控制、航空发动机高温部件冷却等领域广泛存在的冷/热壁面湍流边界层的工程应用问题提供实验依据和理论指导。

针对在自然界及工业界广泛存在的壁面加热湍流边界层现象，本项目对边界层内拟序结构随壁面温度的演化过程及流动机理进行了研究。本项目的研究深入阐明了壁面温度对湍流边界层流动结构影响的机理性规律，为解决在工程应用中存在的加热壁面湍流边界层流动问题奠定了理论基础。.首先，本项目基于加热壁面湍流边界层流动特点发展了分子标记技术对湍流边界层进行测量，进而通过与前人高精度直接数值模拟数据的对比验证了分子标记技术对加热壁面湍流边界层的测量精度。进而，基于高分辨率瞬态测量结果对湍流边界层中的拟序结构进行了识别，同时通过对瞬态流场测量结果的统计分析获得了不同壁面温度下边界层内湍流统计量的空间分布。进而，利用上述分析结果揭示了拟序结构在边界层不同区域的分布特征及壁面温度对拟序结构生成演化过程的影响规律，并建立了湍流统计特性与边界层不同尺度拟序结构之间的内在联系。.结果表明，通过对壁面不加热及加热条件下边界层湍动能分布的对比可以将边界层分为边界层底层，边界层中间层及边界层顶层三个区域。在边界层底层，高速/低速条带拟序结构在壁面加热作用下的边界变得更加清晰，且边界层在展向上的流动不稳定性也明显减弱，从而导致中该区域内湍动能的减小。在边界层中间层，壁面加热所产生的浮力会导致近壁面大尺度拟序结构以更大的倾斜角度远离壁面，同时该区域的拟序结构会在浮力作用下被拉伸，这些拟序结构的变化会导致边界层中间层湍流脉动的显著增强。在边界层外层，壁面加热条件下出现从大尺度拟序结构分离后生成的独立涡结构概率更大，这些独立涡没有额外的能量输入，其包含的湍动能及涡量均小于不发生分离的大尺度涡结构，从而导致了边界层外层湍动能的下降。