测量紊流

紊流的描述

湍流的流动可以通过高度随机的波动来证明, 如流速、压力和涡度。图1表示一个典型的速度信号, 通过测量紊流中定点的速度来获得。该信号的涨落不是随机噪声, 而是流场内相干运动之间的非线性相互作用的结果。对湍流流动的经典描述, 包括随着时间的推移, 确定流动变量的平均值及其相应的涨落。为此, 我们使用函数平均值的定义来确定速度测量的平均值:

(1)

这里, 是集成域的大小, 这将是当前度量中的时间间隔. 正如等式 (1) 所暗示的, 我们将使用一个顶来表示一个变量的平均值。鉴于信号的数字采集是离散的, 等式 (1) 的积分应该用梯形或辛普森定律 [1] 来进行数值求解。像这样的与时间相关的变量的涨落可以按如下方式计算:

(2)

正如在这个等式中所看到的, 起伏场是用一个素数符号表示的。通过将公式 (1) 应用于, 我们可以很容易地确定波动字段的平均值为零:

(3)

因此, 波动场的一个更合适的统计描述符是波动的根平均平方:

(4)

这个统计描述符实际上是一个非常普遍的测量湍流强度。目前的实验将以确定湍流场的平均速度和湍流强度为基础。

图1.由热线风速仪恢复的湍流流动速度的典型信号。原始信号, , 可以在波动字段中分解, , 叠加在平均速度值上, .

实验设置

如图 2 (a) 所示, 该设施基本上是一个由离心风扇加压的全会。图 2 (B) 显示了在一个平面射流的另一侧有一个狭缝。如图 2 (C) 所示, 一个遍历系统在平面射流的指定位置持有热线风速仪。这个遍历系统将被用来确定不同位置的射流的速度。图3的示意图显示了一个具有代表性的位置, 测速将被执行, 以描述平面射流中的湍流场。

图2.实验装置(A): 流动设施;压舱通过离心风扇被加压。(B): 用于发出平面射流的狭缝。(C): 遍历系统以改变风速仪沿射流的位置.请单击此处查看此图的较大版本.

图3.平面射流示意图显示: 腔 contracta, 给定下游位置的速度分布, 以及连接关系图.请单击此处查看此图的较大版本.

图 5显示了在下游位置的平均速度分布情况x = 3W。和图 6显示了在同一下游位置的射流中湍流强度的分布。表3中的平均速度和湍流强度的局部值的结果在流向位置x = 3W.该表的最后一列是局部速度和中心线速度之间的比值。此比率用于确定 jet 宽度 (), 该值定义为两个位置之间的距离, 本地速度为中心速度的 50%. 请注意, 从表2中, 这两个位置位于和间隔中的某处. 它们的确切位置是使用线性插值确定的, 并且被确定为: mm 和 mm, 用于喷射厚度为 mm.

在表2中比较了四不同实验的结果。下表显示了 jet 的中心线速度 () 在中的基本保持不变, 但随着的变化而减小. 此效果是的潜在内核的存在及其对的消失的结果. 潜在的核心是喷气机内的区域, 它没有受到环境和射流之间相互作用的影响。相互作用的区域被称为混合层, 当射流顺流移动时, 它向中线方向生长, 远离射流。这种增长是由于周围空气夹带到喷气机。由于这种夹带效应, 射流的线性动量沿展方向传播, 导致其宽度随而增大. 此效果由表2上的结果证明. 由于混合发生在射流和周围环境之间的边界, 湍流强度峰值 () 远离中心线, 位于由和定义的展位置. 为了简单起见, 表2只显示了射流正侧湍流强度峰值的值。

图5.代表性的结果。速度分布在 x = 3W.

图6.代表性的结果。湍流强度分布在 x = 3W.

Table2.代表性的结果。在 x = 1.5w、 3w、 6w、 和 9w中的不同统计描述符.

x/W	u#̅_cl(m/秒)	δ(mm)	(u′_rms) _max (m/秒)	y_ (+, (u′_rms) _max)
1。5	27.677	19.37	4.919	0.9525
3。0	27.706	21.50	4.653	0.9525
6。0	24.783	28.18	4.609	0.9525
9。0	20.470	39.68	4.513	1.2700

Table3.代表性的结果。测量速度和湍流强度在 x = 3W.

y(mm)	u#̅(m/秒)	u′_rms (m/秒)	u#̅∕u@xmltag@#̅_cl
-28.575	0.762	0.213	0.028
-25.400	0.783	0.311	0.028
-22.225	0.949	0.554	0.034
-19.050	1.461	1.218	0.053
-15.875	3.751	2.727	0.135
-12.700	8.941	4.114	0.323
-9.525	14.919	4.633	0.538
-6.350	22.383	4.043	0.808
-3.175	26.952	1.958	0.973
0.000	27.706	1.039	1.000
3.175	27.416	1.455	0.990
6.350	23.573	3.730	0.851
9.525	17.748	4.653	0.641
12.700	11.175	4.443	0.403
15.875	5.583	3.399	0.202
19.050	1.943	1.663	0.070
22.225	1.159	0.785	0.042
25.400	0.850	0.383	0.031
28.575	0.877	0.271	0.032

实验证明了热线测速在表征湍流流动中的应用。由于湍流表现出高频速度波动, 热线风速是适合其特性的仪器, 因为它们具有很高的时间分辨率。考虑到这一点, 我们用一个校准的热线风速仪来描述平面射流中不同位置的平均局部速度和湍流强度。这些数量是在介绍本文件时使用的湍流统计描述符确定的。从这些统计描述符, 它被观察喷气机传播在展方向由于流体夹带, 而湍流峰顶在混合的层数之内, 远离中心线喷气机, 由于流体混合。

紊流在科学和工程应用中无处不在。在通风、供暖和空调等工程应用中, 通常使用可携带的热丝探针, 并通过径向来获得速度剖面。然后, 工程师使用此信息来平衡新安装的流系统, 以确保其正常运行, 或解决故障系统, 并处理妨碍其运行的任何问题。