運(yùn)動(dòng)單幀圖像法湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

曲寧寧，蔡小舒，周騖，劉超群，周雷

（1上海理工大學(xué)顆粒與兩相流測(cè)量研究所，上海 200093；2 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海理工大學(xué)），上海 200093；3德州大學(xué)阿靈頓分校，美國(guó)）

運(yùn)動(dòng)單幀圖像法湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

曲寧寧1,2，蔡小舒1,2，周騖1,2，劉超群3，周雷1,2

（1上海理工大學(xué)顆粒與兩相流測(cè)量研究所，上海 200093；2上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海理工大學(xué)），上海 200093；3德州大學(xué)阿靈頓分校，美國(guó)）

在研究單幀單曝光圖像法（SFSE）流場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)上，提出了測(cè)量湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)單幀長(zhǎng)曝光圖像法（MSFLE），該方法是具有拉格朗日性質(zhì)的測(cè)量方法，測(cè)量時(shí)相機(jī)以被拍攝相干結(jié)構(gòu)的遷移速度基本相同的速度移動(dòng)，同時(shí)采用長(zhǎng)曝光的方法記錄粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。應(yīng)用該方法，得到了充分發(fā)展湍流邊界層流向-展向平面內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的直觀圖像，清晰地展示了相干結(jié)構(gòu)隨時(shí)間與空間的發(fā)展演變過程，并對(duì)其中的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了分析研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高低速條帶之間的相互作用可以導(dǎo)致發(fā)夾渦的位移、合并和耗散，鞍點(diǎn)及附近強(qiáng)剪切層的存在是相干結(jié)構(gòu)發(fā)展演化的關(guān)鍵。

湍流；邊界層；相干結(jié)構(gòu)；流動(dòng)；圖像法；測(cè)量

引 言

湍流邊界層中相干結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是湍流研究領(lǐng)域的一次重大突破，相干結(jié)構(gòu)的發(fā)展和演變對(duì)湍流邊界層的壁面摩阻、傳熱傳質(zhì)和湍動(dòng)能的產(chǎn)生有重要影響[1]。20世紀(jì)60年代，Kline等[2]利用氫氣泡流動(dòng)顯示技術(shù)最先觀測(cè)到了湍流邊界層內(nèi)的條帶結(jié)構(gòu)和猝發(fā)事件，改變了人們傳統(tǒng)地認(rèn)為湍流是完全隨機(jī)流動(dòng)的觀點(diǎn)。Smits等[3]將湍流邊界層內(nèi)的主要相干結(jié)構(gòu)分為4類，包括高低速條帶[4]、發(fā)夾渦[5]、大尺度結(jié)構(gòu)和超大尺度結(jié)構(gòu)[6]，其中高低速條帶與發(fā)夾渦對(duì)湍流發(fā)生、維持和發(fā)展起到關(guān)鍵作用。Adrian等[7-14]通過PIV實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)湍流邊界層外區(qū)存在著沿流向排列的發(fā)夾渦，且具有相同的遷移速度，形成了大尺度發(fā)夾渦包結(jié)構(gòu)，每個(gè)渦包由5～10個(gè)發(fā)夾渦組成，共同誘導(dǎo)產(chǎn)生了較長(zhǎng)的低速條帶。Kim等[15]認(rèn)為流向排列的大尺度結(jié)構(gòu)相互合并形成超大尺度結(jié)構(gòu)，而Mckeon等[16]則認(rèn)為超大尺度結(jié)構(gòu)是由流動(dòng)的線性不穩(wěn)定性引起的。Tomkins等[17]及Ganapathisubramani等[18]對(duì)湍流邊界層流向-展向平面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)低速條帶周圍總是出現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)的旋渦對(duì), 這些旋渦對(duì)被認(rèn)為是發(fā)夾渦的渦腿。王洪平等[19]利用層析PIV技術(shù)對(duì)湍流邊界層內(nèi)的相干結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)剪切區(qū)域存在著周期性分布的渦結(jié)構(gòu)。潘翀等[20]通過對(duì)相干結(jié)構(gòu)的時(shí)間-空間相關(guān)分析，認(rèn)為發(fā)夾渦的對(duì)流決定了邊界層內(nèi)的流體輸運(yùn)特性。

目前人們對(duì)于湍流邊界層內(nèi)相干結(jié)構(gòu)有兩種模型來描述，一種模型是Adrian等[7]提出的由發(fā)夾渦組成的發(fā)夾渦包結(jié)構(gòu)通過自組織及合并產(chǎn)生新的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。另一種[21-25]是通過湍流邊界層內(nèi)的上拋、下掃和旋渦來解釋相干結(jié)構(gòu)，高低速條帶的產(chǎn)生與上拋和下掃有關(guān)，旋渦與剪切層的產(chǎn)生有關(guān)，然而對(duì)于上拋和下掃的產(chǎn)生機(jī)理并沒有做出解釋，只是認(rèn)為這是湍流的基本屬性。

綜上所述，相干結(jié)構(gòu)在湍流邊界層中起重要作用，人們對(duì)其特征形態(tài)有了一定的了解，但對(duì)其產(chǎn)生和發(fā)展的機(jī)理還不是很清楚，想要深入理解湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，就必須得到相干結(jié)構(gòu)隨時(shí)間與空間的動(dòng)力學(xué)演化過程。本文利用基于單幀單曝光圖像法（single frame and single exposure imaging，SFSE）[26-29]發(fā)展而來的運(yùn)動(dòng)單幀長(zhǎng)曝光圖像法（motion single frame and long exposure imaging，MSFLE），得到了湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)在流向-展向平面內(nèi)直觀的運(yùn)動(dòng)發(fā)展過程，并對(duì)條帶和渦結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系進(jìn)行了分析研究，希望據(jù)此對(duì)湍流邊界層內(nèi)的相干結(jié)構(gòu)有更深入的理解。

1 實(shí)驗(yàn)方法和裝置

1.1 SFSE與MSFLE方法介紹

在流場(chǎng)中布撒跟隨性較好的示蹤粒子，通過觀測(cè)這些粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以得到流場(chǎng)信息。單幀單曝光圖像法（SFSE）是通過設(shè)定合適的曝光時(shí)間，將流場(chǎng)中示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡清晰地記錄在單幀圖像中，運(yùn)動(dòng)軌跡的路徑代表了流體的運(yùn)動(dòng),其長(zhǎng)度代表了曝光時(shí)間內(nèi)示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)距離。圖1是采用SFSE圖像法得到的典型的示蹤粒子運(yùn)動(dòng)軌跡圖像及計(jì)算模型。

圖1 典型的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像及計(jì)算模型Fig.1 Typical motion trajectory image and calculation model

示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)速度可以由運(yùn)動(dòng)距離與相機(jī)曝光時(shí)間相比得出，計(jì)算公式如下

式中，V為示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1，S為運(yùn)動(dòng)軌跡總長(zhǎng)度，m；D為運(yùn)動(dòng)軌跡的寬度，m；M為相機(jī)鏡頭的放大倍率；Δt為相機(jī)的曝光時(shí)間，s。

與PIV方法相比，SFSE方法有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：① PIV是通過兩次短時(shí)間間隔曝光得到的兩幅圖像來確定粒子運(yùn)動(dòng)的開始和結(jié)束位置，忽略了粒子的運(yùn)動(dòng)過程，而SFSE通過單次長(zhǎng)曝光方法從單幀圖像中直觀顯示了粒子的運(yùn)動(dòng)過程，得到的粒子運(yùn)動(dòng)信息更全面；② 在SFSE獲得的單幀圖像中，流場(chǎng)信息可以利用粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡和曝光時(shí)間得到，避免了PIV復(fù)雜的互相關(guān)算法；③ SFSE的實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求低，僅需較小體積的連續(xù)激光器和工業(yè)相機(jī)，適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

在圖像法測(cè)量中，相機(jī)的視場(chǎng)和圖像的分辨率是一對(duì)矛盾。要得到高分辨率渦運(yùn)動(dòng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，就要求相機(jī)鏡頭有較大的放大倍率，而這使得相機(jī)的視場(chǎng)較小，無法捕捉快速運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。為解決視場(chǎng)與高分辨率間的矛盾，在SFSE方法的基礎(chǔ)上，提出了運(yùn)動(dòng)單幀長(zhǎng)曝光圖像法（MSFLE）。在該方法中，相機(jī)以被拍攝的渦的遷移速度基本相同的速度移動(dòng)，采用長(zhǎng)曝光的方法記錄粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

湍流邊界層內(nèi)的相干結(jié)構(gòu)是跟隨流體運(yùn)動(dòng)的，具有拉格朗日性質(zhì)，存在著沿流向的遷移速度。使用歐拉法定點(diǎn)測(cè)量時(shí)，只能得到在某一時(shí)刻流體在該位置的運(yùn)動(dòng)信息，受遷移速度的影響導(dǎo)致無法觀測(cè)到相干結(jié)構(gòu)，而采用拉格朗日性質(zhì)的測(cè)量方法可以跟蹤流體相干結(jié)構(gòu)。在測(cè)量時(shí)相機(jī)以一定平移速度沿流向運(yùn)動(dòng)并同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄，當(dāng)相機(jī)運(yùn)動(dòng)速度與視野中相干結(jié)構(gòu)的遷移速度相同時(shí)，不僅可以得到相干結(jié)構(gòu)的直觀圖像，而且可以顯示其隨時(shí)間與空間的運(yùn)動(dòng)發(fā)展過程，無須旋渦判別準(zhǔn)則和伽利略速度分解，可以直接分析研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在低速循環(huán)水洞中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng) 250 cm、寬16 cm、高20 cm。在水洞中心水平安裝了一塊有機(jī)玻璃平板，平板尺寸1700 mm×150 mm×4 mm，正對(duì)來流方向的平板前緣設(shè)計(jì)為半橢圓形，長(zhǎng)短軸比例為 4:1，以提高平板來流的穩(wěn)定性。示蹤粒子選用平均粒徑為20 μm的空心玻璃微珠，密度為 1.05×10-3g·mm-3。使用拌線法加速邊界層轉(zhuǎn)捩，在距平板前緣100 mm處緊貼直徑為4 mm的拌線，以產(chǎn)生湍流邊界層。測(cè)量系統(tǒng)用波長(zhǎng)為 450 nm 的連續(xù)激光半導(dǎo)體激光器作光源，經(jīng)過柱透鏡輸出厚度為1 mm的片光，使用CCD相機(jī)配合片光進(jìn)行圖像記錄。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)安裝在一個(gè)沿流向平行布置的水平導(dǎo)軌上，移動(dòng)速率在 0～110 mm·s-1內(nèi)可調(diào)。測(cè)量系統(tǒng)布置和坐標(biāo)系定義如圖2所示，其中，x、y、z分別表示流向、法向和展向，原點(diǎn)為平板前緣的中心。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)和坐標(biāo)系定義Fig.2 Definition of coordinate system and measurement system

本文實(shí)驗(yàn)中自由來流速度U∞=66 mm·s-1，相機(jī)平移速度Uc=0.83U∞，流場(chǎng)測(cè)量范圍從x=850 mm到x=1650 mm，兩個(gè)流向位置對(duì)應(yīng)的Reynolds數(shù)分別為 Reθ=θU∞/ν=429和 733，其中，θ代表動(dòng)量厚度，ν表示運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。CCD相機(jī)單幀曝光時(shí)間為200 ms，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)曝光拍攝，采用0.14倍鏡頭，視野范圍為51 mm×39 mm，相機(jī)分辨率為1600 pixel×1200 pixel，對(duì)應(yīng)的空間分辨率為32 μm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 湍流邊界層平均速度分布

實(shí)驗(yàn)中首先采用單幀單曝光圖像法（SFSE）測(cè)量了距平板前緣850 mm與1650 mm處沿法向的邊界層平均流向速度分布。以相機(jī)側(cè)視的方式進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量，激光片光位于被測(cè)位置展向中心平面上，平行于來流垂直平板入射，CCD相機(jī)光軸與片光垂直進(jìn)行拍攝記錄。將測(cè)得的瞬時(shí)速度場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)公式y(tǒng)+=yuτ/ν，u+=u/uτ將平均速度和壁面距離用摩擦速度 uτ量綱 1化，其中摩擦速度 uτ根據(jù)距離壁面1 mm內(nèi)的速度梯度獲得。得到的邊界層中量綱1平均速度分布曲線如圖3所示，該量綱1速度分布與Spalding[30]速度分布公式基本符合

式中，K=0.4，B=5.5。從圖中可以看出兩個(gè)流向位置的平均速度分布呈現(xiàn)自相似，說明湍流邊界層在測(cè)量區(qū)域內(nèi)已經(jīng)充分發(fā)展。

圖3 850 mm與1650 mm處邊界層平均速度分布Fig.3 Dimensionless velocity profile at positions of 850 mm and 1650 mm in boundary layer

2.2 高低速條帶與發(fā)夾渦

在湍流邊界層中，發(fā)夾渦和高低速條帶是重要的相干結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)和發(fā)展過程是湍流猝發(fā)和阻力產(chǎn)生的重要原因，因此，了解其相互作用關(guān)系不僅是湍流相干結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究的核心問題之一，而且也有助于控制湍流流動(dòng)和減少壁面摩擦阻力。

圖4和圖5是在距離壁面6 mm的流向-展向平面內(nèi)得到的相干結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程圖像及相干結(jié)構(gòu)關(guān)系，其中，x和z坐標(biāo)分別代表流向和展向，流體從圖片的右方流向圖片的左方，參考坐標(biāo)系即測(cè)量系統(tǒng)平移速度Uc=0.83U∞，方向自右向左。

圖4 相干結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程Fig.4 Movement process of coherent structure

圖5 相干結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.5 Relations of coherent structure

觀察連續(xù)拍攝的圖像，可以從示蹤粒子的軌跡得到在流場(chǎng)中各部分流體和旋渦相對(duì)于相機(jī)一定的速度。由于相機(jī)以旋渦的遷移速度移動(dòng)，流速與相機(jī)速度相同的示蹤粒子在圖像中的軌跡基本上是個(gè)亮點(diǎn)，高于遷移速度的示蹤粒子的軌跡在連續(xù)圖像中向下游移動(dòng)，低于遷移速度的示蹤粒子的軌跡在連續(xù)圖像中向上游移動(dòng)。由此可以判斷流體及旋渦相對(duì)于遷移速度的運(yùn)動(dòng)快慢，從而識(shí)別高速條帶和低速條帶。

以圖4（a）為例，此時(shí)記t1=0 s，條帶的流動(dòng)方向及旋渦的旋轉(zhuǎn)方向通過前后兩幀圖像之間的對(duì)比得出，用箭頭標(biāo)記于圖中。測(cè)量系統(tǒng)平移速度與旋渦的遷移速度相同，在整個(gè)200 ms曝光時(shí)間中，盡管旋渦已移動(dòng)了10.96 mm距離，但旋渦的圖像仍保持很清晰，表明旋渦相對(duì)相機(jī)的位置在該測(cè)量時(shí)間中基本沒有發(fā)生變化。圖中的低速條帶則相對(duì)于旋渦向上游流動(dòng)，而高速條帶相對(duì)于旋渦向下游流動(dòng)，高低速條帶沿展向交錯(cuò)排列。

兩個(gè)低速條帶兩側(cè)分布著兩對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的渦結(jié)構(gòu)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦結(jié)構(gòu)分布在低速條帶的右側(cè)，而順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦結(jié)構(gòu)分布在低速條帶的左側(cè)。該兩對(duì)旋渦從三維空間考慮，應(yīng)該是穿過片光平面的發(fā)夾渦渦腿，旋渦的橢圓形狀是水平片光與傾斜的發(fā)夾渦渦腿相交的結(jié)果。A1、A2渦結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速從圖中可以判斷為約0.45 r·s-1。

圖中還可以觀察到在低速條帶和高速條帶交界處存在著鞍點(diǎn)（stagnation point，Stag.Pnt）[7]，其周圍形成強(qiáng)烈的剪切層，表現(xiàn)出很強(qiáng)的上拋（Q2）、下掃(Q4)特性，圖5給出了相干結(jié)構(gòu)關(guān)系。在經(jīng)過t1=0.5 s的發(fā)展后，如圖4（b）所示，由于上游高速條帶的沖擊，B1、B2渦結(jié)構(gòu)破裂進(jìn)而合并，而A1、A2渦結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定性較高，未發(fā)生合并，A1沿展向產(chǎn)生變形。在t1=1.9 s時(shí)，如圖4（c）所示，可以看到在 A1的下游出現(xiàn)明顯的鞍點(diǎn)，B渦結(jié)構(gòu)耗散在高速條帶中，使流動(dòng)發(fā)生彎曲。當(dāng)時(shí)間t1=2.9 s時(shí)，如圖4（d）所示，由于兩側(cè)高速條帶的沖擊與擠壓，A1、A2渦結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置沿流向位移，中間的低速條帶向上游延伸， B渦結(jié)構(gòu)在高速條帶中消亡。

上述過程說明，不同穩(wěn)定性的渦結(jié)構(gòu)在高速條帶的沖擊下，會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)變化，穩(wěn)定性較低的渦結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生合并與耗散，而穩(wěn)定性較高的渦結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生位移與變形，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中鞍點(diǎn)及附近強(qiáng)剪切層始終存在，說明其與相干結(jié)構(gòu)的發(fā)展演變密切相關(guān)。

圖6記錄了高速條帶沖擊低速條帶產(chǎn)生發(fā)夾渦的過程。在圖6（a）中存在鞍點(diǎn)，鞍點(diǎn)的上游是高速條帶，下游是低速條帶，高速條帶與低速條帶碰撞后分流成兩部分，包圍在低速條帶兩側(cè)，在這個(gè)時(shí)刻記t2=0 s。在經(jīng)過t2=0.8 s的發(fā)展后，如圖6（b）所示，在低速條帶與左右兩側(cè)高速條帶之間形成強(qiáng)烈的剪切層，低速條帶開始破碎。在t2=1.3 s時(shí)，如圖6（c）所示，在低速條帶兩側(cè)形成了完整的旋渦對(duì)-發(fā)夾渦形成。在t2=2.3 s時(shí)，如圖6（d）所示，在高速條帶的推動(dòng)下，該發(fā)夾渦的運(yùn)動(dòng)速度加快，移出了相機(jī)視野，可以推測(cè)其逐漸遠(yuǎn)離壁面向下游運(yùn)動(dòng)。上述過程表明，高速條帶的沖擊可以導(dǎo)致低速條帶破碎，進(jìn)而形成發(fā)夾渦，同時(shí)鞍點(diǎn)及周圍強(qiáng)剪切層存在于整個(gè)發(fā)展過程中。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)的測(cè)量提出了具有拉格朗日性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)單幀長(zhǎng)曝光圖像法（MSFLE），并對(duì)充分發(fā)展的湍流邊界層流向-展向平面流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量平面距離平板 6 mm，流向測(cè)量范圍x從850 mm到1650 mm，對(duì)應(yīng)的Reynolds數(shù)分別為Reθ= 429和733。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了湍流邊界層流向-展向平面內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的時(shí)空發(fā)展過程以及低速條帶破碎生成發(fā)夾渦的過程，并對(duì)其演化特征進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

（1）基于單幀單曝光圖像法（SFSE）發(fā)展而來的運(yùn)動(dòng)單幀長(zhǎng)曝光圖像法（MSFLE）是具有拉格朗日性質(zhì)的流場(chǎng)測(cè)量方法，不需要旋渦判別準(zhǔn)則和伽利略速度分解，可以直觀地顯示出湍流邊界層內(nèi)的相干結(jié)構(gòu)形態(tài)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流邊界層流動(dòng)結(jié)構(gòu)的測(cè)量。

圖6 發(fā)夾渦的形成過程Fig.6 Formation process of hairpin vortex

（2）實(shí)驗(yàn)得到了湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)包括高低速條帶、發(fā)夾渦和鞍點(diǎn)在流向-展向平面內(nèi)隨時(shí)間與空間的發(fā)展演變過程，表明利用MSFLE方法開展對(duì)湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)的時(shí)空演化測(cè)量是一種有效的研究手段

（3）高低速條帶之間的相互作用可以導(dǎo)致發(fā)夾渦的位移、合并和耗散，對(duì)發(fā)夾渦的發(fā)展演變有重要影響。高速條帶的沖擊可以引起低速條帶的破碎而生成發(fā)夾渦。鞍點(diǎn)及周圍剪切層的存在是湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)演化的關(guān)鍵，為湍流邊界層的研究提供了新思路。

符 號(hào) 說 明

Reθ——基于動(dòng)量損失厚度的Reynolds數(shù)

Uc——測(cè)量系統(tǒng)的平移速度，m·s-1

U∞——自由來流速度，m·s-1

u ——平均流向速度，m·s-1

u+——量綱1平均流向速度

uτ——摩擦速度，m·s-1

y ——距離平板壁面的法向高度，m

y+——量綱1壁面法向高度

θ ——邊界層動(dòng)量損失厚度，m

ν ——水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2·s-1

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date:2017-04-25.

Prof. CAI Xiaoshu, usst_caixs@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51327803, 51576130).

Experimental measurement of coherent structures of turbulent boundary layer by motion single frame imaging method

QU Ningning1,2, CAI Xiaoshu1,2, ZHOU Wu1,2, LIU Chaoqun3, ZHOU Lei1,2
(1Institute of Particle and Two-phase Flow Measurement,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai200093,China;2Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer for Power Engineering in University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai200093,China;3University of Texas at Arlington,USA)

Based on the single frame and single exposure imaging (SFSE) method for flow field measurement, the motion single frame and long exposure imaging (MSFLE) method is proposed for measuring the coherent structure of turbulence in the plant turbulent boundary layer. The method is a Lagrangian property measurement technique. The camera moves at substantially the same speed as the migration speed of the coherent structure, and the trajectory of the particle is recorded by the method of long exposure. Experiments were carried out with this method to measure the development of the coherent structure in the turbulent boundary layer. The evolution of the coherent structure with time and space were intuitively recorded. The motion characteristics of the coherent structure are analyzed. The experimental results show that the interaction between the high and low speed streaks can lead to the displacement, merging and dissipation of the hairpin vortex. The existence of stagnation point and strong shear layer is the key to the evolution of coherent structure.

turbulence; boundary layer; coherent structure; flow; image method; measurement

O 357.5

A

0438—1157（2017）11—4088—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20170469

2017-04-25收到初稿，2017-08-18收到修改稿。

聯(lián)系人：蔡小舒。

曲寧寧（1995—），男，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51327803，51576130）。