用层析高时间分辨率PIV研究复杂条件下壁湍流相干结构时空演化动力学特征及湍流控制减阻机理

项目名称： 用层析高时间分辨率PIV研究复杂条件下壁湍流相干结构时空演化动力学特征及湍流控制减阻机理

项目编号： No.11272233

项目类型： 面上项目

立项/批准年度： 2013

项目学科： 数理科学和化学

项目作者： 姜楠

作者单位： 天津大学

项目金额： 90万元

中文摘要： 用层析高时间分辨率PIV技术测量不同雷诺数、不同压力梯度、固液、气液、气固液多相湍流边界层3D-3C速度场的时间序列，同时用多个高时间分辨率压力传感器测量壁面不同位置压强变化；结合对比直接数值模拟数据库的分析，用空间局部平均速度结构函数、动力模态分解、拉格朗日相干结构、条件采样和空间相位平均、恰当正交分解等技术分析相干结构产生、发展、演化的时空动力学规律，研究相干结构的速度场、速度梯度场、速度变形率场、涡量场、雷诺应力场、湍流产生项等物理量的在相干结构产生、发展、演化不同阶段的空间相位平均形态的变化；分析上述物理量在相空间分布的动力系统奇异性；用壁面压电陶瓷局部变形、壁面局部吹吸、沟槽、高分子聚合物溶液添加剂、柔性壁、波形壁、壁面涂料、壁面粗糙元、壁面微气泡等相干结构主、被动控制技术实现壁湍流减阻；分析上述研究内容随不同雷诺数、不同压力梯度、固液、气液、气固液多相的变化规律。

中文关键词： 层析高时间分辨率PIV；壁湍流；相干结构；减阻；湍流控制

英文摘要： We will measure time series of three-dimension- three-component (3D-3C) velocity vector fields in turbulent boundary layer with solid-liquid, gas-liquid, gas-solid-liquid multiphase fluids at different Reynolds numbers and different pressure gradients using tomographic time-resolved Particle Image Velocimetry (PIV) technique, accompanied by the pressure measurement at different positions on the wall with time-resolved pressure sensors. Comparing with DNS results, we will investigate the temporal-spatial dynamics of coherent structures evolution for their producing, developing and maintaining stages by different analysis methodologies, such as the spatial local-averaged velocity structure function, the dynamic mode decomposition (DMD), the Lagrangian coherent structure, the conditional sampling and spatial phase average method，POD etc. Furthermore, the phase-average spatial mode evolutions of different physical quantities of coherent structures at their producing, developing and maintaining process will be also analyzed, including velocity, velocity gradient, velocity strain, vorticity, Reynolds stress and turbulent kinetic energy production etc. In addition, we will discuss the singularity of the dynamical system on the distributions of above-mentioned physical quantities in the phase space. Besides, we will eva

英文关键词： Tomo-TRPIV；wall-bounded turbulence；coherent structure；drag reduction；turbulence control