非定常分离流动中拉格朗日湍流结构及其演化的实验研究

This project focuses an unsteady separated flow which is perturbed by an active flow control device downstream of a two-dimensional backward-facing step. The experimental investigation will be carried out in the low-turbulence water tunnel in Tianjin University. Time-resolved 2D2C-PIV and tomographic-PIV systems will be used to measure the separated shear layer in both natural and perturbed cases. The active flow control device will be consisted of a servo motor and a cylinder piston which enables to introduce periodic, streamwise, small-scale perturbations into the shear layer. First, the separated shear layer in both natural and perturbed cases will be measured by 2D2C-PIV in order to characterize the major flow topology behind the step and then find the effective perturbation frequencies for flow separation control under various Reynolds numbers. Furthermore, the three-dimensional three-component velocity fields within the shear layer will be obtained by tomo-PIV and STB technique in order to characterize the vortex generation, evolution and interaction. Finite-time Lyapunov exponent (FTLE) will be applied to characterize the Lagrangian coherent structures and analyze their deformation, dissipation, entrainment as well as contributions for flow separation control. This experimental investigation of Lagrangian coherent structures within the perturbed separated shear flow will improve the understanding of vortex spatio-temporal evolution in flow separation control, which may, moreover, lead to potential improvement of the flow separation control technology in the fields of aerospace and ship engineering.

本课题以主动控制状态下的二维后台阶非定常分离流动为主要研究对象，采用高时间分辨率2D2C-PIV和tomo-PIV技术，对自然和人工激励状态下分离剪切流的流动特性进行基础实验研究。实验拟在天津大学低湍流度回流式水洞中进行。主动控制装置由电机配合活塞导管组成，在后台阶边缘引入流向小尺度的吹吸扰动。首先，采用2D2C-PIV测量后台阶流动拓扑结构，对比自然和激励状态下分离剪切层变化，确定不同雷诺数条件下典型激励频率，以及剪切层中旋涡集中的区域；进一步，采用tomo-PIV结合STB技术，测量剪切层内部三维三分量速度场；利用有限时间李雅普诺夫指数方法，提取拉格朗日相干结构，分析其变形、耗散和裹挟效应，研究其对流动分离控制作用的贡献。通过研究主动控制状态下流动剪切层中的拉格朗日相干结构，有助于深入理解分离流动中旋涡的时间-空间演化规律，对推动航空航天、船舶工程中的流动分离控制具有重要意义。

本课题以流动控制状态下的非定常分离流动为主要研究对象，采用高时间分辨率PIV和热线风速仪，对自然和人工激励状态下分离剪切流的流动特性进行基础实验研究。实验在天津大学流体力学实验室中进行。采用Time resolved-PIV测量分离流动三维结构，对比分析自然和激励状态下分离剪切层中相干结构和湍流脉动特征的变化。在拉格朗日框架体系下，利用旋涡识别和模态分解等方法，分析流动剪切层中的相干结构及其时间-空间演化规律，主要研究结果如下：.(1).测量后台阶流动分离剪切层中的时间平均流场和非定常旋涡结构。实验中利用2D2C-PIV测量流动剪切层和回流区，主要测量速度、涡量、雷诺应力和湍流度分布等统计量；利用tomo-PIV技术，测量剪切层中三维三分量速度场；在高时间分辨率瞬时流场序列中，捕捉剪切层中展向旋涡的生成、发展及其空间演化轨迹。.(2).测量大攻角机翼前缘分离流动中，非定常分离剪切层与分离区大尺度结构的相互作用机制。通过流动控制技术引入小扰动，研究不同频率的小扰动诱导的旋涡结构在分离剪切层中的增长和衰减规律。研究不同来流条件下（雷诺数、动量厚度），分离剪切层对扰动频率的响应，建立分离流动的动力学系统模型。.(3).研究拉格朗日相干结构在分离剪切层中的时间-空间演化过程。采用有限时间李雅普诺夫指数方法，提取拉格朗日相干结构，分析其变形、耗散和裹挟效应，研究其对流动分离控制作用的贡献。追踪旋涡中流体微团轨迹的物质面，提取拉格朗日相干结构；将多尺度的旋涡结构分解为按能量排序的一系列空间模态；分析包含单一频率的旋涡的时间模态及其增长-衰减特性。.通过研究流动控制状态下流动剪切层中的拉格朗日相干结构，有助于深入理解分离流动中旋涡的时间-空间演化规律，对推动航空航天、船舶工程中的流动分离控制具有重要意义。