CN117804733A - 一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于实验流体力学技术领域,特别涉及一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置。其技术方案为:一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,包括拖曳水槽,拖曳水槽上设置有用于在拖曳水槽上移动的拖曳小车,拖曳小车的底部连接有拖曳板,拖曳板上设置有示踪剂流出缝,拖曳小车上设置有示踪剂释放水箱,示踪剂释放水箱通过管路与示踪剂流出缝连通,拖曳板上设置有绊线,绊线位于拖曳小车行径方向上示踪剂流出缝的后侧。本发明提供了一种减少示踪剂剂量且提高试验效果的用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置。
Description
技术领域
本发明属于实验流体力学技术领域,特别涉及一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置。
背景技术
边界层是一个由于流体流经壁面而产生紧贴壁面的速度剪切薄层,由于流体的黏性作用使得边界层内靠近壁面区域的流体流速较小,而靠近边界层外侧的流体流速接近自由来流速度,因此边界层内存在很强的剪切运动。当表征黏性力与惯性力相对强弱的雷诺数达到一定程度之后,壁面边界层内的速度梯度会使层流边界层转捩成为湍流边界层。
湍流边界层是工程中常见的流体力学现象,广泛存在于大气表面层流动、水陆空航行器表面的流动,以及各种工业管道流动中。学者发现在湍流边界层中存在可辨识的有序运动,即为拟序(或相干)流动结构。它们一经触发,就以某种特定的规律发展运动,并且在时间和空间上呈现出一定程度的相关性或统计规律,是构成湍流边界层动力学系统的基本单元。目前在壁面湍流边界层内已发现四种主要拟序结构,分别为靠近壁面的高/低速条带、发卡涡、大尺度运动以及超大尺度运动。已有研究表明,湍流边界层内剧烈的动量交换和壁面高摩擦阻力的产生均与湍流拟序结构密切相关。因此,研究的湍流边界层内各种拟序结构的产生机理和时间空间演化过程具有十分重要的科学意义以及工程应用价值,从而可为湍流边界层减阻控制提供理论依据。
目前,在实验流体力学领域中,针对壁面湍流边界层内各种拟序流动结构的研究普遍基于粒子图像测速技术(PIV)定点定位地对某个雷诺数下特定的拟序结构进行测量。由于湍流边界层内的拟序结构从高/低速条带发展到超大尺度运动需要较大的物理空间,并且受限于PIV技术的测量范围,使得完整地测量湍流边界层各种拟序结构在时间和空间上的演化发展过程十分困难,尤其是对壁面摩擦阻力贡献较大的超大尺度运动的产生机理及其与其他拟序结构的相互作用和联系。
现有的湍流边界层试验装置静止不动,通过水流动产生湍流边界层。示踪粒子散布在水中,由于水槽较大,示踪粒子在水流中快速扩散开,从而需要很高浓度的示踪剂才能使示踪粒子在湍流边界层稳定分布。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题,本发明的目的在于提供一种减少示踪剂剂量且提高试验效果的用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置。
本发明所采用的技术方案为:
一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,包括拖曳水槽,拖曳水槽上设置有用于在拖曳水槽上移动的拖曳小车,拖曳小车的底部连接有拖曳板,拖曳板上设置有示踪剂流出缝,拖曳小车上设置有示踪剂释放水箱,示踪剂释放水箱通过管路与示踪剂流出缝连通,拖曳板上设置有绊线,绊线位于拖曳小车行径方向上示踪剂流出缝的后侧。
本发明的拖曳板上设置有绊线,拖曳小车移动的过程中,水流在拖曳板的底部产生湍流边界层。示踪剂释放水箱中的示踪剂通过管路经示踪剂流出缝稳定地掺混进入湍流边界层。由于示踪剂始终在湍流边界层前方一定位置释放,则较小剂量的示踪粒子就能散布到整个湍流边界层。本发明采用激光诱导荧光技术定性地展示边界层外缘的发展和演化过程和具有时间分辨力的粒子图像测速技术定量地测量出边界层内部流动结构的时空发展演化、统计量分布以及空间相关等特征。
作为本发明的优选方案,所述拖曳板包括拖曳平板,拖曳平板的一端连接有前缘修正段,拖曳平板的另一端连接有后缘修正段,前缘修正段和后缘修正段均与拖曳平板平滑过渡;所述示踪剂流出缝和绊线均设置于前缘修正段上。前缘修正段、拖曳平板和后缘修正段平滑过渡,拼接成一个整体。
作为本发明的优选方案,所述前缘修正段和后缘修正段的表面圆滑,保证水流流经拖曳平板下表面不会发生分离。
作为本发明的优选方案,所述拖曳平板包括依次设置的拖曳上平板、铝型材骨架和拖曳下平板。
作为本发明的优选方案,所述示踪剂释放水箱上连接有分流器,分流器的出口端连接有若干导管,导管的另一端与示踪剂流出缝连通。
作为本发明的优选方案,所述绊线与拖曳板的行径方向垂直,绊线与拖曳板等宽。绊线促使流动由层流转捩为湍流。
作为本发明的优选方案,所述拖曳小车包括小车主体,小车主体搭接在拖曳水槽上,示踪剂释放水箱安装在小车主体上,小车主体上固定有矩形管,矩形管连接有若干支撑杆,支撑杆的下端连接有连接板,连接板与拖曳板连接。
作为本发明的优选方案,所述支撑杆的截面形状为椭圆形。支撑杆的形状接近于翼型,减少对水流的阻挡。
作为本发明的优选方案,所述小车主体上固定的矩形管的数量为两根。
作为本发明的优选方案,所述矩形管上连接的支撑杆的数量为四根。
本发明的有益效果为:
本发明的拖曳板上设置有绊线,拖曳小车移动的过程中,水流在拖曳板的底部产生湍流边界层。示踪剂释放水箱中的示踪剂通过管路经示踪剂流出缝稳定地掺混进入湍流边界层。由于示踪剂始终在湍流边界层前方一定位置释放,则较小剂量的示踪粒子就能散布到整个湍流边界层。本发明采用激光诱导荧光技术定性地展示边界层外缘的发展和演化过程和具有时间分辨力的粒子图像测速技术定量地测量出边界层内部流动结构的时空发展演化、统计量分布以及空间相关等特征。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是拖曳小车和拖曳板的结构示意图;
图3是拖曳板的结构示意图;
图4是图3中A处的局部放大图;
图5是拖曳小车和拖曳板的部分结构图;
图6是图5中B处的局部放大图。
图中:1-拖曳水槽;2-拖曳小车;3-拖曳板;4-示踪剂释放水箱;21-小车主体;22-矩形管;23-支撑杆;31-示踪剂流出缝;32-绊线;33-拖曳平板;34-前缘修正段;35-后缘修正段;41-分流器;42-导管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1~图4所示,本实施例的用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,包括拖曳水槽1,拖曳水槽1上设置有用于在拖曳水槽1上移动的拖曳小车2,拖曳小车2的底部连接有拖曳板3,拖曳板3上设置有示踪剂流出缝31,拖曳小车2上设置有示踪剂释放水箱4,示踪剂释放水箱4通过管路与示踪剂流出缝31连通,拖曳板3上设置有绊线32,绊线32位于拖曳小车2行径方向上示踪剂流出缝31的后侧。
本发明的拖曳板3上设置有绊线32,拖曳小车2移动的过程中,水流在拖曳板3的底部产生湍流边界层。示踪剂释放水箱4中的示踪剂通过管路经示踪剂流出缝31稳定地掺混进入湍流边界层。由于示踪剂始终在湍流边界层前方一定位置释放,则较小剂量的示踪粒子就能散布到整个湍流边界层。本发明采用激光诱导荧光技术(LIF)定性地展示边界层外缘的发展和演化过程和具有时间分辨力的粒子图像测速技术(TR-PIV)定量地测量出边界层内部流动结构的时空发展演化、统计量分布以及空间相关等特征。该试验装置可以在不同拖曳车运动速度下进行,以此研究不同雷诺数下的壁面湍流边界层流动。
其中,所述拖曳板3包括拖曳平板33,拖曳平板33的一端连接有前缘修正段34,拖曳平板33的另一端连接有后缘修正段35,前缘修正段34和后缘修正段35均与拖曳平板33平滑过渡;所述示踪剂流出缝31和绊线32均设置于前缘修正段34上。前缘修正段34、拖曳平板33和后缘修正段35平滑过渡,拼接成一个整体。所述前缘修正段34和后缘修正段35的表面圆滑,水流附着在拖曳平板33下表面。
所述拖曳平板33包括依次设置的拖曳上平板、铝型材骨架和拖曳下平板。铝型材骨架由铝型材搭建而成,可以根据试验雷诺数需求,调节铝型材骨架长度(流向)和宽度(展向)。拖曳下平板和拖曳上平板分别覆盖在铝型材骨架的下表面和上表面,并通过螺栓和预置在铝型材骨架内的T型螺母连接。
如图5和图6所示,所述示踪剂释放水箱4上连接有分流器41,分流器41的出口端连接有若干导管42,导管42的另一端与示踪剂流出缝31连通。所述绊线32与拖曳板3的行径方向垂直,绊线32与拖曳板3等宽。绊线32促使流动由层流转捩为湍流。
具体地,所述拖曳小车2包括小车主体21,小车主体21搭接在拖曳水槽1上,示踪剂释放水箱4安装在小车主体21上,小车主体21上固定有矩形管22,矩形管22连接有若干支撑杆23,支撑杆23的下端连接有连接板,连接板与拖曳板3连接。所述支撑杆23的截面形状为椭圆形。支撑杆23的形状接近于翼型,减少对水流的阻挡。
矩形管22通过螺栓螺帽与小车主体21连接,其用于增加平板的流向支撑尺度。所述小车主体21上固定的矩形管22的数量为两根。单根矩形管22上连接的支撑杆23的数量为四根。八个翼型的支撑杆23固定在矩形管22下方,以保证拖曳板3可完全沉浸在水中。上下表面分别覆盖拖曳上平板和拖曳下平板的铝型材骨架通过连接板与翼型的支撑杆23相连,可实现平板模型系统随拖曳小车2在拖曳水槽1内往复运动。前缘修正段34和后缘修正段35分别通过螺栓螺母与铝型材骨架固定连接。
由于拖曳水槽1空间尺寸较大,若示踪粒子散布在水中,成像效果较差。因此,前缘修正段34下表面预留示踪剂流出缝31,以供示踪剂/示踪粒子流出并与湍流边界层进行掺混。
在本实施例的实际应用中,拖曳水槽1系统和拖曳平板33模型系统组合,来产生时空演化的壁面湍流边界层。拖曳小车2稳定运行速度范围为0.5~2m/s,相应地,基于边界层厚度的雷诺数最大可达4000。定点地采用激光诱导荧光技术(LIF)和具有时间分辨力的粒子图像测速技术(TR-PIV),可以分别定性地展示不同雷诺数下边界层外缘的发展演化过程和定量地测量研究边界层内部流动结构的时空发展演化、统计量分布以及空间相关等特征,拟揭示各种拟序结构产生机理及其相互作用和联系。
本发明不局限于上述可选实施方式,任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品,但不论在其形状或结构上作任何变化,凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案,均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,其特征在于:包括拖曳水槽(1),拖曳水槽(1)上设置有用于在拖曳水槽(1)上移动的拖曳小车(2),拖曳小车(2)的底部连接有拖曳板(3),拖曳板(3)上设置有示踪剂流出缝(31),拖曳小车(2)上设置有示踪剂释放水箱(4),示踪剂释放水箱(4)通过管路与示踪剂流出缝(31)连通,拖曳板(3)上设置有绊线(32),绊线(32)位于拖曳小车(2)行径方向上示踪剂流出缝(31)的后侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,其特征在于:所述拖曳板(3)包括拖曳平板(33),拖曳平板(33)的一端连接有前缘修正段(34),拖曳平板(33)的另一端连接有后缘修正段(35),前缘修正段(34)和后缘修正段(35)均与拖曳平板(33)平滑过渡;所述示踪剂流出缝(31)和绊线(32)均设置于前缘修正段(34)上。
3.根据权利要求2所述的一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,其特征在于:所述前缘修正段(34)和后缘修正段(35)的表面圆滑。
4.根据权利要求2所述的一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,其特征在于:所述拖曳平板(33)包括依次设置的拖曳上平板、铝型材骨架和拖曳下平板。
5.根据权利要求1所述的一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,其特征在于:所述示踪剂释放水箱(4)上连接有分流器(41),分流器(41)的出口端连接有若干导管(42),导管(42)的另一端与示踪剂流出缝(31)连通。
6.根据权利要求1所述的一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,其特征在于:所述绊线(32)与拖曳板(3)的行径方向垂直,绊线(32)与拖曳板(3)等宽。
7.根据权利要求1所述的一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,其特征在于:所述拖曳小车(2)包括小车主体(21),小车主体(21)搭接在拖曳水槽(1)上,示踪剂释放水箱(4)安装在小车主体(21)上,小车主体(21)上固定有矩形管(22),矩形管(22)连接有若干支撑杆(23),支撑杆(23)的下端连接有连接板,连接板与拖曳板(3)连接。
8.根据权利要求7所述的一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,其特征在于:所述支撑杆(23)的截面形状为椭圆形。
9.根据权利要求7所述的一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,其特征在于:所述小车主体(21)上固定的矩形管(22)的数量为两根。
10.根据权利要求7所述的一种用于产生时空演化的壁面湍流边界层试验装置,其特征在于:所述矩形管(22)上连接的支撑杆(23)的数量为四根。
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