稳定分层二层流室内实验早期格栅湍流结构

作者：邓莹莹; 时钟^*

来源：实验力学, 2021, 36(02): 205-222.

• 格栅
• 湍流结构
• 室内实验
• 粒子图像测速
• 欧拉频谱

采用室内实验混合箱和粒子图像测速技术,本文研究了稳定分层无平均剪切二层流（上层淡水、下层盐水）振动湍流结构。对实验录像进行粒子图像测速技术处理,获得垂向二维流场（垂直于格栅平面）瞬时速度和涡量,并用于计算:（1）时均速度和时均涡量;（2）均方根速度;（3）均匀程度和各向同性程度;（4）平均流强度;（5）时均泰勒的欧拉积分长度尺度;（6）时均湍动能和时均湍动能垂向通量;（7）水平和垂向速度的欧拉频谱。结果显示:（1）格栅方棒处时间平均速度方向垂直向上,而其两侧的时间平均涡量正负交替,表明格栅附近射流结构占据主要位置且存在反向涡旋对。（2）均方根速度随着距离格栅（水平面）高程的增大而减小,并且满足高程的-1.425（接近-3/2）幂次律,表明格栅湍流均方根速度的垂向变化较为剧烈。（3）靠近混合箱边壁处的均匀程度和各向同性程度都大于1,表明靠近混合箱边壁处存在各向异性湍流。（4）格栅反湍流强度的量级非0,但是,相对较小,表明平均流强度较低,故而,本实验结果仍可与无平均流的情况作对比。（5）时均泰勒的欧拉积分长度尺度随着距离格栅（水平面）高程的增大而线性增大,表明随着湍流向上发展,涡的平均尺度增大。（6）时均湍动能和时均湍动能垂向通量随着距离格栅（水平面）高程的增大而减小,而时均湍动能垂向通量为正值,表明远离格栅时均湍动能衰减,但是,始终向上传递。（7）水平和垂向速度的欧拉频谱随着距离格栅（水平面）高程的增大而减小,幂次律介于ω-1和ω-5/3（ω为频率）之间,表明水平和垂向的湍流脉动能量远离格栅均衰减,并受湍流的有限雷诺数效应的影响。

• 单位
  海洋工程国家重点实验室; 建筑工程学院; 上海交通大学