壁面粗糙度突变对湍流边界层的影响.pdfVIP

维普资讯 1期 水 动 力 学 研 究 与 进 展 Set．A，Vo1．13，No·1 JOURNAL OFHYDRODYNAMICS March，1998 ，- ，，，)脯珀 壁面粗糙度突变对湍流 刍 第蜷目 边界层的影响 刘士和 (武汉水利电力天葶 ，武汉430072) 垒 塑一 (珠江水利委员会科研所 ，广州 510610) 一 摘 要 本文探讨 了湍流在流过不同粗糙度的壁面时粗糙度突变对突变点下游流动的影响a 假定粗糙度突变引起的扰动为小扰动，流动物理量的扰动值满足 自相似分布．本文分析得到了描 1 概述 在水利工程中，人们常常碰到这样的流动：由于河床冲淤变化床面沿程发生租化或细化 ， 水流从相对光滑的床面流向相对粗糙的床面，或从相对粗糙的床面流向相对光滑的床面 ，这种 变化对水流有哪些影响。水流从山区河道流向平原河道 ，从有水草段流向无水草段又要进行哪 些调整。诸如此类的问题可以概化为：壁面租糙度发生改变时，湍流会有哪些响应 。该问题类 似于水力学中对边界层过渡段的研究，而在水力学中对此类问题研究不多，有待完善 。同时，通 过对该类问题的研究，能帮助我们预估过渡段的长度，流速分布 ，能量损失及紊动强度的变化； 也有助于研究水流脉动压力、空化空蚀及紊动扩散等问题 。 以上问题不仅存在于水利工程中，也存在于大气边界层、水力机械及管道输运等领域 中。 在大气边界层中，对这类问题既有实验研究，也有理论分析，还有数值模拟 实验研究有 Anto- nia＆Luxton_1等的风洞实验 i理论分析有Townsend口 等认为内边界层中扰动量在小粗糙 度突变时具有 自相似分布所进行 的研究以及 Hunt 等把壁面租糙度突变引起的压力突变 及雷诺应力突变作为突加扰动对流动结构的调整进行的分析 ；数值模拟方面 Andreopoalos等 利用一方程模型成功地对 内边界层的结构进行了模拟 。因此本文借鉴大气边界层中对壁面租 糙度突变问题的研究，对以水为工作流体的湍流边界层作丁一定的理论分析和实验研究。 本文于 1996年 12月24日收到 维普资讯 36 水 动 力 学 研 究 与 进 展 1998年第 1期 2 壁面粗糙度突变对湍流边界层影响的理论分析 2．1 概化模型 如图 1所示，充分发展的湍流边界层经过绕流动方向上壁面粗糙度发生突变的流段，流动 经过一定时间一定距离的调整之后，重新成为适应新的边界条件的充分发展的湍流边界层 。在 此两 充分发展的湍流边界层之间存在一过渡段，该过渡段为壁面粗糙度变化引起的扰动影响 区。从边界层发展的观点来看，图I中C、D两区为 内边界层 。扰动影响区流动发展的过程也就 是新的边界条件下内边界层的形成与发展过程 。 图 1 壁面粗糙度突变概化模型 内边界层中流动的动力特性与来流相比发生显著改变。内边界层以外的B区是受扰动影 响很小的外部流动，它们基本上具有来流的各种特性 。内边界层中D区为次层 ，该层内流