基于层析PIV的合成射流涡环撞击多孔壁面流动机理研究

As the transition state between vortex ring free developments and impinging onto solid walls, the vortex ring impinging onto a porous wall contains rich and complex flow phenomena. There are also many examples related to the interaction between fluid and porous walls in engineering. This proposal intends to investigate the flow mechanism of synthetic jet vortex rings impinging onto porous walls using flow visualization and tomographic PIV. The three-dimensional evolution of the flow structures and the instability process of the vortex rings are deeply analyzed to reveal the instability mechanism for the impingement of synthetic jet vortex rings onto a porous wall. By the quantitative measurements of the flow inside the porous wall, the flow structure formations and evolutions in both upstream and upstream sides are linked together to clarify their interaction mechanism. Then, the formation mechanism of the transmitted vortex ring can be revealed physically. On this basis, the influences of the synthetic jet condition and the porous wall geometry will be further explored to establish global dimensionless parameters to characterize the interaction between synthetic jet vortex rings and porous walls. This proposal not only has important academic significance in understanding the vortex dynamics, vortex/complex boundary interaction and unsteady flow separation, but also is useful in promoting the development of synthetic jet cooling technique as well as the application of porous walls.

作为涡环自由发展和撞击固体壁面的过渡状态，涡环撞击多孔壁面蕴含着丰富而又复杂的流动现象。工程中也存在着很多类似流体与多孔壁面相互作用的实例。本项申请拟结合流动显示和层析PIV对合成射流涡环撞击多孔壁面的流动机理进行深入研究。分析流场中流动结构的三维演化和涡环的三维失稳过程，揭示合成射流涡环撞击多孔壁面涡环的失稳机制；通过对多孔壁面内部流场的定量测量，将上游和下游流动结构的生成、演化联系起来，阐明两者之间的作用机制，进而从物理本质上揭示透射涡环的成因。在此基础上，进一步研究合成射流参数和多孔壁面几何构型的影响规律，构建表征合成射流涡环与多孔壁面相互作用特性的全局性无量纲参数。所研究内容不仅在深入理解旋涡动力学特性、涡与复杂壁面相互作用以及非定常流动分离等方面具有重要的学术意义，而且推动合成射流散热技术发展和促进多孔壁面相关应用方面具有很强的实用价值。

多孔壁面在流动减阻、降噪以及流动控制等方面具有重要的应用价值。作为涡环自由发展和撞击固壁的过渡状态，涡环撞击多孔壁面蕴含着丰富而又复杂的流动现象。相关的研究不仅在深入理解旋涡动力学特性、涡与复杂壁面相互作用机制、非定常流动分离机理等方面具有重要的学术意义，而且在促进多孔壁面工程应用方面也具有很强的实用价值。本项目首先采用三维流场测速技术，获得了合成射流涡环撞击多孔壁面三维流场的实验数据，展示了透射涡环的三维空间发展，揭示了其演化规律，探索了其可能的失稳机制。然后，对合成射流撞击多孔壁面近壁区流场开展了精细的实验测量，建立上游和下游流动发展的关联，发现涡量抵消机制是流体穿过多孔壁面形成透射涡环的物理本质，也是不同参数工况透射流动结构呈现差异的根本原因，澄清了高雷诺数时触发的Kelvin-Helmholtz不稳定性对透射涡环的影响也是借助于涡量抵消作用。接着，总结了雷诺数、开孔直径、开孔率等参数的影响规律，构建了表征合成射流涡环与多孔壁面相互作用特征的相似参数，该相似参数不仅能够表征合成射流涡环与多孔壁面相互作用的动力学特性，还可以刻画流动结构演化的相似，而且具有明确的物理意义，为指导多孔壁面的工程应用提供了依据。最后，将合成射流涡环撞击多孔壁面研究拓展到热壁面和非对称涡环方面，发展了基于锁相的流场-壁面温度场同步测量方法，揭示了合成射流撞击冷却的流动机理，初步探索了合成射流非对称涡环撞击壁面的流动机制，丰富了本项目的研究内容，对促进合成射流更深层次的应用起到了作用。