沟槽壁面被动控制液固两相湍流相干结构的实验研究.pdf

摘要

沟槽减阻作为一种被动控制减阻方法，被认为是最有效的减阻技术之一。然而目

前对于其机理研究大多在单相介质中进行（如清水和空气）。液固两相流动更常见于

自然和工程领域，研究液固两相流动中沟槽作用机理具有重要的理论意义与应用价值。

本文利用粒子图像测速技术（particlesimagevelocimetry，PIV）在含有直径355μm聚

苯乙烯颗粒的液固两相湍流边界层中开展对沟槽壁面的实验研究。实验分别采集了光

滑平板和沟槽面板近壁面流场的流-法向平面与流-展向平面的速度信息。通过对比光

滑平板与沟槽壁面流场的湍流统计量和湍流结构变化，分析沟槽对两相湍流边界层特

性的影响。

在流-法向平面，对比流过沟槽壁面与光滑平板含颗粒流的平均速度剖面、湍流度

及雷诺切应力等湍流统计量，分析发现：与光滑平板相比，沟槽壁面平均速度剖面缓

冲层部分抬升，对数区外移，壁面摩擦速度和摩擦切应力变小，表现出4.86%的减阻

效果。利用本征正交分解（Properorthogonaldecomposition，POD）方法分解光滑壁面

和沟槽壁面速度场，分析前六阶模态的特征函数矢量场，发现第一阶模态中沟槽壁面

和光滑壁面分别呈现喷射和扫掠事件，两事件对雷诺应力的贡献均为正值。前四阶模

态共同描述了可被视为发卡涡包特征的大规模猝发事件的运动变化；两种壁面的前四

阶模态中相干结构分布具有几何相似性，前六阶模态中均存在强剪切层。结合使用空

间多尺度局部平均结构函数和（涡旋运动强度）识别准则，准确识别发卡涡头（顺

向涡）涡心并提取周围脉动速度及流线的空间拓扑结构；统计不同法向高度处顺向涡

的数量规律。结果发现，在同一法向高度，相较于光滑壁面，沟槽壁面检测到的顺向

涡结构倾角较小，数量较少，周围流向脉动速度较弱。说明在两相流中，沟槽壁面能

够削弱发卡涡的强度和发生，达到减阻的效果。

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在流-展向平面，测量了三个不同壁法向高度（y=23.8，y=47.6，y=87.2）的流

场速度信息。利用POD方法将近壁瞬时流场按所含能量高低分解，发现在前四阶模

态均存在正负交替的大尺度条带状结构，其形态特征符合近壁区存在的高低速条带结

构。沟槽的存在有效限制了近壁条带的失稳破碎，减少了条带的不稳定性，削弱了流

向涡的强度。对POD分解后的含能50%的低阶模态进行重构，并对不同法向高度重

构流场的流向脉动速度分量进行流-展向的空间自相关运算，发现沟槽壁面近壁区低

速流体的范围变大，条带结构和流向涡的发展受到抑制。利用条件检测提取沿壁法向

正轴顺时针旋转的涡旋，发现在相同法向高度，沟槽近壁流场发卡涡涡腿张角角度和

涡旋尺度均小于平板工况。说明在液固两相流中沟槽抑制了发卡涡的抬升与发展，减

少了能量传递，进而达到了减阻效果。

关键词：沟槽壁面；两相流；粒子图像测速；湍流边界层；相干结构

ABSTRACT

Ribletdragreduction,asapassivecontroldragreductionmethod,isconsideredtobe

oneofthemosteffectivedragreductiontechniques.However,mostoftheresearchonits

mechanismhasbeenconductedinsingle-phasemedia(e.g.,waterandair).Liquid-solidtwo-

phaseflowismorecommoninnaturalandengineeringfields,anditisofgreattheoretical

significanceandapplicationvaluetostudythemechanismoftrenchinginliquid-solidtwo-

phaseflow.Inthispaper,theexperimentalstudyofribletwallsinaliquid-solidturbulent

boundarylayer