后向台阶流动中低频三维湍流结构的产生机理及演化规律的实验研究

The flow downstream of a backward facing step (BFS) attracts great amount of attentions due to its simple geometry and complex dynamic behaviour. It is recently found that there is an organized coherent spanwise motion with a frequency an order of magnitude lower than the shedding frequency inside the recirculation region of the BFS flow. The physical mechanism behind the low frequency spanwise turbulent structure is still not clear. This proposal describes an experimental investigation plan targeting on first the experimental method on capturing the low frequency structures, and second the effect of a range of parameters on the low frequency structures, including the status of the initial boundary layer before separation, the Reynolds number, the passive control methods using spanwise fences and perforated bottom wall, and the frequency and amplitude of perturbations using a synthetic jet actuators near the separation location. PIV, rake of hotwire probe aligned in the spanwise direction and microphone arrays will be used to measure the flow field. Decomposition methods will be used to extract the dominant flow motions, e.g. POD and DMD. Global instability governs the low frequency spanwise motion will be proposed based on the results, as well as effective means on controlling this motion.

后向台阶流动是一个典型的分离/再附流动，其复杂的动态特性一直受到学术界的关注。为了揭示其中还没有被理解的若干复杂动态特性，本项目计划针对存在于回流区内部的低频展向湍流结构的生成和时空演化规律开展实验研究。我们计划首先研究捕捉低频展向结构的实验方法；再确定低频展向结构的生成和演化规律与来流边界层状态、雷诺数、回流区长度，角落里的二次涡动态特性、合成射流激励频率、激励强度等因素的关系。通过分析这些因素对低频展向结构的影响提出是什么样的全局不稳定性主导了低频展向运动规律，并揭示其与得到很多关注却未有定论的剪切层低频摆动之间的关系；另外，我们将通过时间解析的PIV测量技术以及POD和DMD等时空分解技术量化低频展向结构与其他尺度的湍流结构的相互作用规律，例如剪切层旋涡以及脱落旋涡等；最后我们将提出有效的、针对低频展向运动的被动和主动控制方法。本项目契合本次重大研究计划所聚焦的科学问题。

后向台阶流动作为一种具有代表性的分离流动模型，数十年来始终是湍流领域中的重点研究课题。迄今为止的研究揭示了流场中很多基础特性，然而仍有部分重要问题，例如如主要结构的三维化过程及剪切层低频摆动现象的成因等，仍存在研究局限或争议。在过去对后向台阶流场的研究中，多将大尺度脉动结构假设为展向均匀的二维结构加以分析，而最近研究者将更多关注集中在了流场中的三维湍流结构之上。本项目对雷诺数992 ≤ Re ≤ 21688条件下高度为H的后向台阶流场，在低速循环水洞及下吹式风洞两类平台中通过实验方法进行了研究。在实验中应用了多重曝光烟线流动显示，二维及三维粒子图像测速法（PIV），热线传感器阵列测量，合成射流激励等多种流动显示，速度测量及流动控制方法，对各条件下的流场进行测量及采集。实验数据处理过程中使用了相关性分析，谱分析及POD模态分解等数学方法，以从多角度讨论及分析具有不同特征的三维拟序结构的演化规律。实验结果表明，在剪切层中由于K-H不稳定性产生的二维展向涡结构在贴附区附近会发生三维化，形成具有稳定特征的^形三维结构。在结构由剪切模态向贴附区台阶模态演化的过程中，其特征频率由S t > 0.3逐渐降低至S t ≈ 0.2，其展向波长则在三维化开始时迅速减小至1.1H，之后再逐渐增大至 2H。 本文依据多种实验方法得到的大量定性及定量实验结果，对后向台阶流场中大尺度湍流结构的生成与时、空演化规律提出了完整的物理模型。本文的核心创新点包括：1.本文提出的机理模型理清了雷诺数对后向台阶流场中大尺度湍流结构生成及演化的影响，发现了流动在雷诺数约2000∼3000之间出现转捩的机理，即展向涡及流向涡两类大尺度结构的产生。2.本文针对后向台阶流场贴附区下游特征频率降低问题提出了大尺度湍流结构错位配对这一机理模型，有效的解释了该问题产生的根源。这一模型也将后向台阶湍流结构与边界层等流场中的“发卡涡”等大尺度结构联系起来，指出了它们之间的有机联系。3.本文阐明了后向台阶流场中低频摆动模态的产生机理，即流向涡结构在展向的缓慢位置移动，并指明了影响其发展的若干因素。该机理模型符合几乎所有以往的实验和数值模拟结果，解释了长期存在的有关矛盾和争议。