交接区流动的结构与控制

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交接区流动大量存在于自然界和工程实践中,研究交接区流动无论在工程上还是在理论上都具有极其重要的学术价值。本文主要研究简化的柱体一平板交接区流动;平板上生成的边界层在固定于该平板上柱体的影响下发生三维分离形成复杂的马蹄涡系。本论文着重研究马蹄涡系的精细结构,并寻找一种比较普遍适用的马蹄涡系控制方法。 论文利用烟线和PIV(粒子图像测速计)研究了雷诺数对交接区马蹄涡系的影响。显示了一些三维非定常振荡马蹄涡系的精细结构以及马蹄涡系的远场卷并、马蹄涡腿的空间发展等新的流动现象;比较了不同柱体截面形状下马蹄涡系的空间尺度。进行了柱体上游平板中心线上平均和脉动压力分布的测量,研究了马蹄涡系对交接区结构的影响。 论文提出了控制马蹄涡系的前置倾斜棒方法。合理选择倾斜棒的参数能够有效地控制马蹄涡系。热线实验指出前置倾斜棒能减小交接区流体周期运动产生的噪音。最佳控制状态的倾角参数和基本流态的分离线有密切的关联。前置倾斜棒控制方法的机理可以用“下洗”和“空腔”两种不同的物理模式来解释。试验过程中研制了可以测量流动分离区固壁剪切力的高精度单分量天平,测量结果表明前置倾斜棒能极大地减小壁面上的流体剪切应力。桥墩淘蚀模拟实验也证实了前置倾斜棒能减轻交接区的淘蚀作用。 总结本文的工作,创新之处可概括归纳为以下几点: ①结构方面,利用壁面油膜反光烟线技术清晰地显示了交接区马蹄涡系精细结构,发现了一些新的流动现象; ②控制方面,提出控制交接区马蹄涡系的前置倾斜棒方法,该方法能有效地抑制马蹄涡的生成,减弱涡系对结构的影响,此方法简单易行,实用上具有一定的普适性; ③实验技术方面,应用激光测量位移技术研制出了测量壁面剪切力的单分量天平,普通的环境噪音下该天平的浮动元可感受的剪切力范围是8.197×10击一2.172×10-3牛(0.836毫克力-221.6毫克力),该天平作为一种高精度测力机构可以在流动分离区使用。
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