壁面物理结构对近壁湍流与颗粒相互作用影响的实验研究

Two-way coupling between particles and flow near a smooth wall could often take effect on particles deposition to the wall. The deposition of particles may cause malfunction for some structures, but also may clean air from polution.What the such deposition playing two kind of oppsite roles may be valuable for practical applications.So far, the knowleadge of the interaction between particles and flow near the wall, particually, wall-bonded turbulent flow is still scarce. If there occur some shape or structure on the surface of the wall,the question would become more complicated and also propose a chance.In other words, there should be some kind of shape or structure on the wall may increase deposition, or oppsitely decrease the occurrence of deposition. At present, knowleadge about those questions is almost nothing. In this project, we plan to study wall shape and structure effects on wall-bonded turbulence, paticle dynamics and two-way coupling between particles and wall-bonded turbulence. The study will focus on what shape could increase or decrease deposition. The novel methodology for the application of dustproof or environment purification will be proposed.

颗粒与光滑壁面附近的流场相互作用往往影响颗粒向壁面的沉降。当颗粒聚集到结构表面时既可能给结构本身的功能带来不利影响，也可能因为灰尘聚集到结构表面而使周围空气得到净化。这两种截然不同的结果在工程实际中都有应用价值。有关颗粒与壁面附近流场尤其是与湍流场相互作用的知识目前还很不完备。当壁面存在不同表面形状或物理结构时上述问题会变得更加复杂，同时，也蕴含机遇，即有可能存在某种壁面物理结构能使颗粒加速沉降，或者相反，能使粒子可能逃离壁面，而这方面的知识目前更加匮乏。本项目拟研究不同的壁面形状和物理结构对近壁区湍流、颗粒运动及二者之间的相互作用产生影响的规律和原因，研究能促进颗粒沉降或阻碍沉降的壁面物理结构特点，为工程中的防尘需求提供新的研究方法，为寻找更好的环境净化方法提供新的研究策略。

颗粒物在物体表面的沉积可影响散热或能量收集，控制颗粒物沉降或驱离非常重要。在有外部流动的情况下，上述问题可描述成湍流平板边界层内颗粒物运动的物理规律。本项目通过风洞实验，针对光滑及非光滑平板的湍流边界层内颗粒物的运动进行了研究，取得了一系列研究成果。1）为了实验模拟颗粒物与湍流边界层的作用，需要边界层内的流动提前转捩，形成湍流，即利用有限幅值的扰动实现平板边界层的亚临界转捩。项目利用特殊截面几何形状障碍物绕流尾流、振动障碍物尾流等方式实现平板边界层的亚临界转捩。细致、系统地研究了二维多棱柱物体绕流问题、宽D形二维柱体的单自由度涡激振动、双圆柱尾流、单圆柱流向振荡尾流，取得了一系列重要的研究成果，并最终利用这些尾流实现平板边界层的亚临界转捩；2）利用PIV/PTV联合测量技术，同时获得近壁边界层内的流动和颗粒的运动。提出了一种能去掉高背景噪音的重采样技术，并结合加权二值法等技术，获取了高质量的颗粒运动和流场运动信息，结果表明该算法具有高的可靠性，可清晰展现流动结构与颗粒物运动之间的关联；3）获得光滑壁面、非光滑壁面中条纹壁面时的近壁边界层内颗粒流的运动、沉降，以及颗粒物与流动结构相关性等物理规律。