正弦波溝槽對(duì)湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)影響的TR-PIV實(shí)驗(yàn)研究*

李山 姜楠? 楊紹瓊2)?

1) (天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300072)

2) (青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室, 青島 266237)

1 引 言

流體阻力分為幾種形式, 其中最為基本的是壓差阻力和壁面摩擦阻力. 壁面阻力是由于流體與固體壁面相互作用及流體間的分子吸引力產(chǎn)生的.50多年來的實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果表明, 在近壁面湍流邊界層中存在一系列的自維持運(yùn)動(dòng)[1?3]. 而在識(shí)別出的湍流運(yùn)動(dòng)中, 存在兩個(gè)非常重要的事件, 即噴射事件和掃掠事件, 因?yàn)?0%的湍動(dòng)能都由這兩個(gè)事件產(chǎn)生[4]. 掃掠事件一般發(fā)生在近壁=15以下, 與壁面剪切應(yīng)力的產(chǎn)生緊密相連[5,6],對(duì)于減阻研究尤為重要, 因此, 對(duì)固壁表面進(jìn)行調(diào)制改造以實(shí)現(xiàn)減阻更為容易且有效.

自然界中已自行演化出多種流動(dòng)減阻的方法,其中具有代表性的為存在于鯊魚表皮的微型鱗片結(jié)構(gòu), 大小一般在0.2–0.5之間, 凹槽的間距為30–100, 人們稱之為“膚齒”, 沿著流動(dòng)的方向排列, 形狀類似于小溝槽, 有了這些溝槽似的微結(jié)構(gòu)鯊魚才能夠保持清潔并快速游動(dòng)[7?9]. 關(guān)于順流向溝槽的研究始于20世紀(jì)80年代[10?13], 隨后科研人員對(duì)其在層流邊界層[12?14]、 轉(zhuǎn)捩邊界層[15]以及湍流邊界層[5,16?18]中的減阻效果及其減阻機(jī)理進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究. 已有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 當(dāng)無量綱的溝槽高度和間距在一定范圍內(nèi)時(shí)具有減阻效果, Bechert等[17]和Walsh[19]在鋸齒形溝槽壁面湍流邊界層獲得了約10%的減阻率(15). 關(guān)于順流向溝槽的減阻機(jī)理, 目前有兩種理論： 一是溝槽抑制了近壁的展向脈動(dòng)[20?22]; 二是溝槽壁面邊界層流向渦結(jié)構(gòu)相較于光滑壁面有所抬升, 降低了流向渦與固壁表面的接觸面積[21,23?26]. 流向溝槽減阻較全面的研究進(jìn)展還可參考綜述性文獻(xiàn)[9,27,28].

迄今, 溝槽由于加工較困難, 減阻率受限以及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益不足以補(bǔ)償生產(chǎn)、維護(hù)及清理的費(fèi)用等原因, 并沒有得到廣泛應(yīng)用. 目前的改進(jìn)措施遵循兩條路徑： 一是提高生產(chǎn)工藝和材料性能,Stenzel等[29]發(fā)明了一種自動(dòng)的涂料應(yīng)用技術(shù), 可以將微溝槽直接壓印在烤漆涂層上, 減少了溝槽內(nèi)襯的使用和后續(xù)清理的費(fèi)用; 另外一條路徑, 也是本文的工作重點(diǎn), 就是尋求可以提高溝槽減阻率的方法.

將傳統(tǒng)順流向呈直線排列的溝槽與其他減阻方法結(jié)合起來, 在近壁面流動(dòng)中施加一個(gè)振蕩的展向速度分量, 是一個(gè)很有吸引力的想法. Wassen等[30]和Grüneberger等[31]通過主動(dòng)控制的方式, 使葉片形狀的溝槽在展向上以溝槽與平板連接處為中心沿展向反復(fù)擺動(dòng), 模擬壁振蕩, 他們的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 兩種減阻技術(shù)疊加可以獲得更高的減阻率. 但這種方式非常耗能, 在工程應(yīng)用中存在明顯劣勢(shì). 更為重要的是, 由于溝槽尖端的展向位移有限, 產(chǎn)生不了足夠高的振幅, 在一定的流動(dòng)工況下減阻率增加有限.

Quadrio和Luchini[32]提出一種新的改進(jìn)思路, 通過溝槽在展向上沿波形曲線偏轉(zhuǎn), 以被動(dòng)的方式來誘導(dǎo)一個(gè)周期性的近壁運(yùn)動(dòng), 也就是將沿展向均勻的傳統(tǒng)2D溝槽擴(kuò)展為沿展向變化的3D溝槽, 比如模仿鯊魚表皮的溝槽[8], 脊形的溝槽[33]以及波浪形溝槽[34,35]. Peet等[35]在槽道湍流中應(yīng)用大渦模擬技術(shù)研究了= 180工況下鋸齒形截面溝槽面流場(chǎng)的摩擦阻力(= 0.87,= 21).對(duì)于傳統(tǒng)直線型溝槽, 減阻率為5.4%. 在沿展向正弦偏轉(zhuǎn)的溝槽壁面, 當(dāng)波長(zhǎng)和振幅分別為1080和34個(gè)壁面單位時(shí), 減阻率增加到7.4%, 提高了2%. 隨后, Peet和Sagaut[36]將研究擴(kuò)展到了無限薄溝槽和矩形溝槽中, 對(duì)于傳統(tǒng)的矩形溝槽,計(jì)算得到11.2%的減阻率, 而在= 1080,=34的正弦波型溝槽壁面流場(chǎng)中減阻率達(dá)到14.6%.

本文以湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)為主要分析對(duì)象,利用高時(shí)間分辨率粒子圖像測(cè)速(time?resolved particle image velocimetry, TR?PIV)實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù), 對(duì)正弦波型溝槽壁面(S?溝槽)的減阻機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究, 內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分： 1)介紹實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)用溝槽模型; 2)從基本各階統(tǒng)計(jì)量的角度分析S?溝槽對(duì)一階、二階統(tǒng)計(jì)量的影響, 并對(duì)比其與傳統(tǒng)順流向直線型溝槽的優(yōu)缺點(diǎn); 3)從相干結(jié)構(gòu)的角度, 利用渦檢測(cè)準(zhǔn)則、相關(guān)函數(shù)等方法對(duì)不同壁面的流場(chǎng)進(jìn)行細(xì)致分析, 探討不同類型溝槽對(duì)湍流邊界層中發(fā)卡渦及展向條帶的影響.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)

TR?PIV實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開口式循環(huán)水槽中進(jìn)行. 水槽實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為532,內(nèi)壁截面積為 2538(寬 × 高), 流速在30以下連續(xù)可調(diào). 實(shí)驗(yàn)段整體由不銹鋼板構(gòu)成, 在測(cè)量區(qū)域內(nèi)加工了一個(gè)矩形的窗口, 嵌入玻璃, 以實(shí)現(xiàn)PIV的無干擾測(cè)量. 在自由來流速度20的情況下, 測(cè)得流場(chǎng)背景湍流度為0.7%. 平板水平放置于水槽中, 與水槽底部距離為220,平板前緣按8：1的比例進(jìn)行修型, 以避免流動(dòng)分離.在距前緣100處放置直徑為6的絆線加速自由來流轉(zhuǎn)捩, 確保在實(shí)驗(yàn)段為充分發(fā)展的湍流邊界層. 實(shí)驗(yàn)時(shí)水溫保持在20, 在該溫度下水的密度= 997.78, 運(yùn)動(dòng)黏度= 0.97937 ×.

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D (a) 光滑平板; (b) 傳統(tǒng)直線型溝槽板; (c) 正弦波型溝槽板Fig. 1. Schematic diagram of experimental plates： (a)Smooth plate; (b) riblets; (c) s?riblets.

圖2 正弦波溝槽截面圖 (a) 左視圖; (b) 俯視圖Fig. 2. Cross section of s?riblets： (a) Left view; (b) top view.

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)

考慮到相干結(jié)構(gòu)的三維特性, 實(shí)驗(yàn)分兩部分進(jìn)行, 分別測(cè)量充分發(fā)展湍流邊界層中流?法向平面和流?展向平面. 在平面測(cè)量時(shí), 激光片光源從水槽的下方垂直平板方向照亮平板中心區(qū)域, 與來流方向平行, 高速相機(jī)光軸與片光垂直, 布置圖如圖3(a)所示, 圖中,,分別指流向、法向和展向. 在平面測(cè)量時(shí),激光片光源以平行于實(shí)驗(yàn)平板的方向從水槽的側(cè)方照亮流場(chǎng), 法向高度可調(diào)節(jié), 相機(jī)置于水槽底部,布置圖如圖3(b)所示. 在本次實(shí)驗(yàn)中共拍攝了三個(gè)平面, 分別距離實(shí)驗(yàn)平板1 , 5 和 9.實(shí)驗(yàn)中激光片光厚度約為1, 所使用示蹤粒子為HGS?10型空心玻璃微珠, 粒徑為10, 在流場(chǎng)中有良好的跟隨性.

利用Dantec公司的TRPIV系統(tǒng), 在來流速度分別為= 0.1,= 0.2的流速下, 對(duì)不同壁面的湍流邊界層的流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量. 拍攝使用連續(xù)模式, 高速相機(jī)采樣頻率設(shè)定在500 Hz, 相機(jī)分辨率為1280像素1024像素, 粒子圖像的物理范圍為10582. 粒子在圖像上的平均直徑約為2個(gè)像素, 因此相關(guān)峰值鎖定影響(peak?locking effect)可以忽略不計(jì). 每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況共記錄6399張圖像, 持續(xù)時(shí)間為12.8,為方便統(tǒng)計(jì)分析, 在每一個(gè)測(cè)量平面上進(jìn)行了兩次重復(fù)測(cè)量, 測(cè)量誤差為1%左右[37?39].

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 (a) case 1; (b) case 2Fig. 3. Schematic diagram of experimental setup： (a) case 1;(b) case 2.

對(duì)測(cè)得的原始圖像按照下列步驟進(jìn)行處理：1)用背景消除法去除原始圖像的背景噪聲, 去除由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头垂舛a(chǎn)生的測(cè)量誤差; 2)選取合適的查詢窗口和重疊率對(duì)圖像進(jìn)行“自適應(yīng)互相關(guān)”運(yùn)算, 獲得初始的速度矢量場(chǎng); 3)對(duì)矢量場(chǎng)進(jìn)行“上下限過濾”和“平均過濾”處理來消除速度場(chǎng)的噪聲, 最終得到瞬時(shí)速度場(chǎng). 進(jìn)行自適應(yīng)互相關(guān)計(jì)算時(shí), 根據(jù)圖像中粒子的位移, 對(duì)平面所選查詢窗口尺寸為32 像素32 像素, 重疊率為75%, 最終所得到的每張瞬時(shí)速度場(chǎng)中包含148116(流向法向) 個(gè)矢量,及方向每?jī)蓚€(gè)相鄰的速度矢量間物理分辨率約為0.71. 對(duì)平面粒子圖像所選查詢窗口尺寸和重疊率分別為64 像素64 像素和75%, 得到的矢量數(shù)為7761(流向展向),及方向的物理分辨率約為1.55.

3 統(tǒng)計(jì)量分析

3.1 平均速度

對(duì)于溝槽壁面的結(jié)果分析, 一個(gè)未解決的問題就是其速度剖面曲線原點(diǎn)位置的確定. 該問題首先由 Hooshmand等[40]提出, Bechert和Bartenwerfer[41]認(rèn)為可以用黏性流體理論來解決.該原點(diǎn)位置位于溝槽尖端和谷底之間, 其與溝槽尖端的距離稱為“凸出高度”, 決定了溝槽尖端深入到邊界層內(nèi)的距離. 根據(jù)已有研究結(jié)果以及本次實(shí)驗(yàn)中溝槽的形狀和尺寸, 虛擬原點(diǎn)的位置定義為溝槽尖端點(diǎn)以下= 0.14處,為溝槽間距, 在兩個(gè)雷諾數(shù)下分別相當(dāng)于1.08和2.15個(gè)黏性長(zhǎng)度(均用光滑壁面的摩擦速度進(jìn)行無量綱化[41]. S?溝槽參數(shù)與直線形溝槽一致, 因此虛擬原點(diǎn)位置相同, 這一特征在無量綱速度剖面中有具體體現(xiàn).

從表1中可以看出, 兩個(gè)雷諾數(shù)下溝槽壁面都具有減阻效果, 邊界層厚度增加, 其中=661.4時(shí)減阻率較高, 此時(shí)對(duì)應(yīng)的無量綱溝槽間距為= 15.4, 處于較佳的減阻工況[17]. 正弦波溝槽的減阻率小幅增加, 在兩個(gè)雷諾數(shù)下分別提高了0.58%和1.1%. 圖4給出了相同雷諾數(shù)下三種不同壁面的流向平均速度的分布曲線, 均用進(jìn)行無量綱化, 同時(shí)給出了經(jīng)典的黏性底層和對(duì)數(shù)律曲線做對(duì)比. 根據(jù)樊星和姜楠[42]提出的利用平均速度剖面測(cè)量的方法, 基于平板湍流邊界層對(duì)數(shù)區(qū)無量綱速度和法向高度滿足的對(duì)數(shù)關(guān)系, 利用牛頓迭代法和最速下降法擬合獲得壁面摩擦速度. 從圖4中可以看出,兩個(gè)流速下光滑壁面的速度剖面與湍流邊界層的經(jīng)典分布較符合, 溝槽壁面上流場(chǎng)的平均速度在緩沖層明顯提高, 對(duì)數(shù)區(qū)上移, 在= 337.8時(shí), 溝槽壁面的常數(shù)B值分別為= 5.9,= 6.3;在=661.4時(shí), 分別為=6.05,=6.42,符合減阻壁面流場(chǎng)的典型特征[26,43,44].

表1 湍流邊界層基本參數(shù)及減阻率Table 1. Basic parameters and results for turbulent boundary layers over test plates.

圖4 不同壁面流場(chǎng)的流向平均速度剖面Fig. 4. Mean velocity profiles in TBL flows over test plates.

3.2 湍流度和雷諾切應(yīng)力

雷諾切應(yīng)力是由于湍流脈動(dòng)速度引起動(dòng)量交換而產(chǎn)生的附加應(yīng)力. 圖6比較了光滑壁面和溝槽壁面流場(chǎng)的雷諾切應(yīng)力–沿法向位置的分布,其中–進(jìn)行無量綱化. 圖 6(a)中=337.8, 光滑壁面流場(chǎng)雷諾切應(yīng)力在30的位置出現(xiàn)明顯峰值, 兩種溝槽壁面流場(chǎng)的雷諾切應(yīng)力的峰值均大幅度降低, 且有外移現(xiàn)象. 圖6(b)中=661.4, 現(xiàn)象相同. 雷諾切應(yīng)力的降低是減阻壁面的典型特征, 說明湍流中的動(dòng)量交換減弱, 湍流脈動(dòng)被有效抑制.

圖5 不同壁面流場(chǎng)湍流度的分布曲線Fig. 5. Distribution of turbulent intensities over test plates.

圖6 不同壁面流場(chǎng)雷諾切應(yīng)力的分布曲線Fig. 6. Distribution of Reynolds shear stress over test plates.

4 相干結(jié)構(gòu)分析

4.1 基于流-法向平面的相干結(jié)構(gòu)分析

從上文可以看出, 兩種溝槽都產(chǎn)生了減阻效果, 但從統(tǒng)計(jì)量分析并不足以分析減阻的機(jī)理, 因?yàn)槿N壁面的分布趨勢(shì)是相似的. 因此下文將從流場(chǎng)中相干結(jié)構(gòu)的角度來做進(jìn)一步的討論. 相關(guān)函數(shù)作為經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)分析方法, 能提供湍流場(chǎng)中相干結(jié)構(gòu)的空間尺度信息. Jiménez[45]對(duì)利用脈動(dòng)速度的空間相關(guān)函數(shù)來提取相干結(jié)構(gòu)做了綜述性的介紹,并給出了邊界層內(nèi)不同速度分量的脈動(dòng)速度的相關(guān)函數(shù)的分布特征. Chen等[46]提出一種新的提取方法, 利用速度與渦量的相關(guān)函數(shù)來辨識(shí)槽道湍流中的相干結(jié)構(gòu), 給出了壁湍流中準(zhǔn)流向渦和條帶結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和尺度信息, 該方法物理意義明確.Farano等[47]在不同的雷諾數(shù)的湍流邊界層流場(chǎng)中也得到了很好的結(jié)果. 本文利用經(jīng)典的流向脈動(dòng)速度的二維空間相關(guān)函數(shù), 來研究光滑壁面和溝槽壁面湍流邊界層中相干結(jié)構(gòu)的空間尺度和空間形態(tài), 關(guān)于脈動(dòng)速度與渦量的相關(guān)函數(shù)的結(jié)果會(huì)在后續(xù)的工作中進(jìn)行進(jìn)一步的討論. 湍流邊界層流向脈動(dòng)速度的二維空間相關(guān)系數(shù)定義為

相關(guān)函數(shù)分析辨別的是與參考點(diǎn)有相同動(dòng)量通量的區(qū)域所呈現(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 是一種廣義上的相干結(jié)構(gòu)提取方法.準(zhǔn)則排除了流場(chǎng)中剪切較強(qiáng)但無渦旋存在的區(qū)域, 相對(duì)來說更能準(zhǔn)確地反映出渦結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征. 流場(chǎng)中的渦結(jié)構(gòu)承擔(dān)了流場(chǎng)中能量和動(dòng)量的傳遞及交換, 是摩擦阻力大幅增加的關(guān)鍵原因. 本文應(yīng)用準(zhǔn)則對(duì)光滑和溝槽壁面上平面內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了條件平均的辨識(shí)和提取, 對(duì)比了不同壁面上的發(fā)卡渦的拓?fù)湫螒B(tài).準(zhǔn)則是由Zhou等[50]最早提出的, 他認(rèn)為當(dāng)速度梯度的張量的特征值有一個(gè)實(shí)數(shù)和一對(duì)共軛復(fù)根時(shí), 當(dāng)?shù)氐牧鲌?chǎng)就存在局部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 速度梯度張量可以分解為

圖8 特征向量空間中的局部流動(dòng)[50]Fig. 8. The local motion in the space spanned by the eigen?vectors[50].

湍流邊界層噴射事件和掃掠事件是近壁區(qū)雷諾切應(yīng)力的主要貢獻(xiàn)者, 是湍流能量和動(dòng)量輸運(yùn)的“媒介”. 對(duì)比圖9中不同壁面的結(jié)果, 當(dāng)=71.1時(shí), 在光滑壁面上剪切層的傾角為, 溝槽壁面的為, S?溝槽的已經(jīng)降到, 說明溝槽壁面的存在使得流場(chǎng)結(jié)構(gòu)在向下游遷移過程中, 向上抬升的趨勢(shì)受到了抑制, 即溝槽壁面限制了發(fā)卡渦在法向上的運(yùn)動(dòng); 在= 128時(shí)現(xiàn)象相同, 正弦波溝槽對(duì)其抑制更為明顯. 發(fā)卡渦誘導(dǎo)的猝發(fā)事件在湍流的自維持和發(fā)卡渦包的自生成過程中也是不可缺少的一環(huán), 其強(qiáng)度的降低說明溝槽也削弱了湍流的自維持機(jī)制[52].

圖9 平面條件平均相干結(jié)構(gòu) (上) = 71.1; (下) = 128Fig. 9. Conditionally?averaged structure in the plane： (top) = 71.1; (bottom) = 128.

圖10 Adrian等[51]提出的發(fā)卡渦模型Fig. 10. The model of hairpin vortex proposed by Adrian et al.[51].

4.2 基于流-展向平面的相干結(jié)構(gòu)分析

由于相干結(jié)構(gòu)演化和發(fā)展的三維特性, 單一的平面測(cè)量無法完整地研究不同溝槽對(duì)其的影響, 因此對(duì)流?展向平面結(jié)構(gòu)特征的研究很有必要, 下文給出= 661.4減阻率較高時(shí), 在不同法向高度不同溝槽對(duì)展向流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響.

Kline等[53]最早用實(shí)驗(yàn)證明了在近壁區(qū)2.7位置的流?展向平面上, 相干結(jié)構(gòu)主要為沿展向分布的高低速條帶, 條帶結(jié)構(gòu)沿展向的平均無量綱間距為= 100, 沿流向的平均長(zhǎng)度約為1000個(gè)黏性長(zhǎng)度. 隨后 Nakagawa和 Nezu[54]以及Smith和Metzler[55]的研究結(jié)果進(jìn)一步證明,在10的范圍內(nèi)基本恒定在100左右, 而且在雷諾數(shù)6000時(shí),的大小不隨雷諾數(shù)改變; 而在10時(shí),隨法向位置的增加而略有增大.

為了對(duì)近壁條帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化分析, 本文用流向脈動(dòng)速度在空間上的自相關(guān)函數(shù)沿展向的分布來表征條帶的間距大小, 表達(dá)式為

圖11 平面內(nèi)不同壁面上流場(chǎng) = 9.7流向脈動(dòng)速度云圖Fig. 11. Instantaneous streamwise fluctuating velocity in plane at = 9.7.

圖12 不同壁面上流場(chǎng) 沿展向的自相關(guān)函數(shù)Fig. 12. Autocorrelation function of in the ?direction over test plates.

5 結(jié) 論

本文利用 TR?PIV 測(cè)速系統(tǒng), 分別從流 ? 法向、流 ? 展向兩個(gè)不同的平面角度測(cè)量二維順流向和三維正弦波溝槽湍流邊界層, 利用相關(guān)函數(shù)、渦檢測(cè)準(zhǔn)則辨識(shí)提取不同壁面湍流邊界層中相干結(jié)構(gòu), 分析了不同壁面條件對(duì)其產(chǎn)生的影響, 得到以下結(jié)論.

(1) 不同雷諾數(shù)工況下對(duì)各階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行了對(duì)比, 結(jié)果表明, 兩種溝槽壁面的平均速度剖面滿足減阻壁面的典型特征, 在對(duì)數(shù)區(qū)都有不同程度的抬升, S?溝槽的減阻率更大. S?溝槽近壁區(qū)平均速度增大, 壁面摩擦阻力減小. S?溝槽湍流度和雷諾切應(yīng)力也有明顯的降低, 流向湍流度和雷諾切應(yīng)力的峰值遠(yuǎn)離壁面外移, 降低了近壁區(qū)的動(dòng)量和動(dòng)能的輸運(yùn).

(2) 基于相關(guān)函數(shù)方法, 從統(tǒng)計(jì)平均的意義上來研究近壁區(qū)的結(jié)構(gòu), 提取了不同壁面湍流邊界層中的相干結(jié)構(gòu). 結(jié)果表明S?溝槽也減小了流向相干運(yùn)動(dòng)在流向和法向上的空間尺度, 且相干結(jié)構(gòu)與主流之間的傾角明顯減小, 抑制了流體在法向上的運(yùn)動(dòng)及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的抬升.

(3) 對(duì)比不同壁面上湍流邊界層發(fā)卡渦的傾斜角度及其誘導(dǎo)的噴射和掃掠猝發(fā)事件, 發(fā)現(xiàn)溝槽抑制了噴射和掃掠運(yùn)動(dòng)事件的強(qiáng)度, 降低了雷諾切應(yīng)力, S?溝槽作用效果更為明顯. 兩種溝槽壁面湍流邊界層中發(fā)卡渦頭的傾斜程度都有明顯降低, S?溝槽效果也更為突出, 即溝槽結(jié)構(gòu)能夠抑制近壁區(qū)的湍流自維持過程, 抑制發(fā)卡渦的形成, 與發(fā)卡渦對(duì)應(yīng)的噴射和掃掠能力也相對(duì)降低, 進(jìn)而減少了近壁區(qū)與湍流核心區(qū)動(dòng)量和能量的交換, 從而達(dá)到減阻的效果.

(4) 在同一雷諾數(shù)下, 隨著法向位置的增加,三種壁面的條帶間距都有所變寬. 在同一法向位置處, 兩種溝槽壁面的條帶間距都大于光滑壁面, 說明近壁區(qū)溝槽壁面的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)更為規(guī)則有序, 條帶在展向上的運(yùn)動(dòng)受到了抑制, 影響了高低速條帶之間的相互作用.

最后需要指出的是, 在本文的雷諾數(shù)流場(chǎng)工況下, 三維正弦波溝槽與二維直線型溝槽相比, 減阻機(jī)理相同, 但效果更好. 后續(xù), 其波長(zhǎng)和振幅的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究尤為關(guān)鍵.