【摘要】：明渠湍流是自然界及工程技術(shù)中廣泛存在的流動(dòng)形態(tài),其中充滿了不同類型和尺度的相干結(jié)構(gòu),而渦是明渠湍流相干結(jié)構(gòu)的核心。對(duì)渦結(jié)構(gòu)的研究需要借助高頻多點(diǎn)測(cè)量技術(shù),需要有可靠的識(shí)別方法,其目的則應(yīng)同時(shí)關(guān)注渦的動(dòng)力學(xué)作用及其與湍流統(tǒng)計(jì)理論之間的關(guān)系�；谶B續(xù)激光器和高速CMOS相機(jī)研發(fā)了一套適用于明渠湍流測(cè)量的高頻PIV系統(tǒng),系統(tǒng)的總體精度和對(duì)復(fù)雜流動(dòng)的適應(yīng)能力均滿足明渠湍流測(cè)量的需求。明渠恒定均勻流試驗(yàn)表明,PIV所測(cè)流場(chǎng)的精度、時(shí)間分辨率及空間分辨率均滿足對(duì)外區(qū)渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的要求。推導(dǎo)了常用的基于速度梯度矩陣的二維渦識(shí)別方法,并對(duì)其中的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度方法進(jìn)行了改進(jìn),分別利用正、負(fù)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的條件平均值對(duì)正、負(fù)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行歸一化,消除了垂向不均勻性、渦的旋轉(zhuǎn)方向以及雷諾數(shù)對(duì)渦識(shí)別結(jié)果的影響,使渦識(shí)別結(jié)果更符合流動(dòng)的基本特征。對(duì)明渠湍流中橫向渦的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的分析表明,順向渦和逆向渦沿水深具有不同的分布規(guī)律。在相同水深處,順向渦的數(shù)量多于逆向渦,平均半徑和平均強(qiáng)度均大于逆向渦。在靠近水面的區(qū)域,水面抑制渦的生長(zhǎng)并加速渦的破碎,水面對(duì)橫向渦的影響主要表現(xiàn)為增加橫向渦的總量,減少逆向渦占橫向渦數(shù)量的比例,減小橫向渦的平均半徑,水面對(duì)明渠湍流的主要影響范圍是水面以下0.3倍水深。明渠湍流中橫向渦的演化過(guò)程可分為生長(zhǎng)階段和衰減階段,且處于生長(zhǎng)階段和衰減階段的橫向渦的比例相等。生長(zhǎng)階段的橫向渦的尺寸和強(qiáng)度均較小,但強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間不斷增強(qiáng),除少部分橫向渦受強(qiáng)烈拉伸作用而變小外,大多數(shù)生長(zhǎng)態(tài)橫向渦的尺寸均隨時(shí)間增大。衰減階段的橫向渦的尺寸和強(qiáng)度較大,但強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸減弱,在衰減的早期,渦的尺寸逐漸增大,而在衰減的中后期,渦的有效尺寸逐漸減小。在壁面湍流中,雷諾應(yīng)力與紊動(dòng)能的產(chǎn)生密切相關(guān),凈力(雷諾應(yīng)力的梯度)代表水流脈動(dòng)引起的動(dòng)量輸運(yùn)對(duì)平均流動(dòng)的影響。在明渠湍流的主流區(qū),橫向渦的誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)是雷諾應(yīng)力的重要來(lái)源,同時(shí),橫向渦在自身誘導(dǎo)流場(chǎng)作用下的抬升運(yùn)動(dòng)顯著地促進(jìn)凈力的產(chǎn)生。因此,橫向渦對(duì)明渠湍流的平均流動(dòng)具有重要影響,是明渠湍流自維持機(jī)理的重要組成部分。
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圖片說(shuō)明： 標(biāo)準(zhǔn) PIV產(chǎn)品使用的粒子圖像分析方法(Adiran, 2005; Stanislas et al, 2性能方面，若以空間分辨率、精度和動(dòng)態(tài)速度范圍作為衡量指標(biāo)，維 PIV 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)速度范圍可以達(dá)到 100~200(在同一幀流場(chǎng)中，最流速的比值)，，測(cè)量精度介于滿量程的 1%~2%，空間分辨率約為 1mterweel et al, 2013)。
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圖片說(shuō)明： 圖 2.2由式(2.1)可知，對(duì)于給定波長(zhǎng)的高斯光束18高斯光束特征參數(shù)示意圖對(duì)于給定波長(zhǎng)的高斯光束，束腰半徑和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積束腰半徑和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TV133

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本文編號(hào)：2515562