粘性底层特性的实验研究.pdf

年?月南京水利科学研究院水利水运科学研究第?期粘性底层特性的实验研究王晋军?北京 航空航天大学?摘要本文应用激光测速仪及其数据采集和处理系统,对紊流边界层内粘性底层特性进行了精细 的量测,试验粗糙雷诺数小于 ? ?实验结果表明,在本实验条件下均有粘性底层存在,并得到了水力光滑区的判据及粘性底层名义厚度与实际厚度的关系此外,还对粘性底层的紊动 特性进行了讨论一、前一立一口大量的研究成果表明,在垂 直壁 而方向上,紊流 边界 层可分为粘性底层、过渡区和紊流区,? 巨各区具 有不 同的性质和特点在加糙的情况下,紊流边界 层视床面的粗糙程度,又可分为水力光滑区、过渡粗糙区和完全粗糙区天然的河床紊流和管道紊流等都是在边 壁粗糙情况下的液体流动因而,流动的合理分区不仅对紊流理 论的发展具有重要意义,而且具有实用价值粘性底层的厚度及其特性是紊流分区的重要依据为 了保证分区的合理性和加深对近壁区流动结构的了解,有必要对粘性底层特性进行深入的探讨在水流中,由于粘性底 层的厚度 一般在???? ?左右,要想在这么薄的范围内 得 到精确的测量结果,则要求测量仪器不 干扰流场、精度高且有较高的分辨率显 然,传统 的毕托管已不能满足要求,这就促使人侧去研制新的量测仪器。

热线 风 速仪成功地对风洞中的粘 性底层 进行了精细的量测仁‘〕,且推动了流体力 学的发展随着技术的进步,又设计并 制造 了用于水流量测的热膜风速仪,它较成功地量测了离开壁面一定范围内的流场特性〔”由于热膜风速仪对流场有一定的干扰,未能很好地解决粘性底层的量 测,即精度比空气 中所得取 的结果还要低,激光测 速仪对深入了解紊流内部机理及近壁区结构提供了必要的条 件,且得了一 些令人满意的成果「 ?一‘’本文拟用激光测速 系统? ?’,对小粗糙雷诺数? ??情况 下明槽紊流边界层粘性底层特性进行了一些探讨宽?? ??及高? ??? ??的水槽中进行了试验仁‘’二、成果分析?一?粘性底层的厚度粘性底层的厚度有名义厚度占和实际厚度夕之分定义为粘性底层与对数区延长线交点到床面的距离,两者均由流 速分布的单对数图或双对数图中求得本实验对粗糙雷? ??水利水运科学研究????年?月诺数?? ? 及粗糙高度?‘?????、???、?????的床面近壁区流动进行了精细的量测结果发现,在实验条件下,均有粘性底层存在图?为粘性底层的实际厚度夕与粗糙雷诺数??的关系曲线对任一特定的??,随着??的增大,粘性底层的实际厚度澎下降很快?对不同的??,随着??的增大,澎随刀?。

下降的趋势逐渐变缓这些特性可 由实测值得到的回归 关系式来说明?,二?????一?’???? ? ????占‘?? ?????一,’“ ??寿??????? ??????‘???????一,‘?‘??????? ???????相关系数分别为?????、???? ?及???? ?由图?可知,在几?一定的情况下,通过改变? ???? ?? ? ? ? ?巧粗糙雷诺 数??可以改变粘性底 层 的实际厚度,从而使流动处 于不 同的粗糙区域,这说明不能仅仅依据?‘的大小对流动进行分区,还 应考虑沙的大小此外,本文进 一步 说明,以??作为分区参数是合理的,因??的变化可反 映沙的变化人们对粘性底层的认识 是逐步深 入的最初认 为紧靠床面的这一薄层流体属于层流,并称为层 流底层后来进 一步研究发现,这一薄层 流体仍有紊动,且粘性起主要作用,故称 为粘性 底层,这对近壁区流动的认识又进 了一步现在对粘性底层的一致看法是,其内流 速可作线性分布来处理更详细的研究表明,粘性底层内脉动流速概率密度分布曲线的长尾伸向正轴?“,”,即得到了正的偏斜对边壁粗糙程度的区分是一个重要的课题,紊流结构的研究成果大都把??。

二?作为水力光滑区的界限,则由图?得到了二???? ?? ?从而有???占‘??????乙仁???图?捌与??的关系曲线???????????? ?????? ? ! ? ∀???,?????而现行水力学书中以?‘??、作为水力光滑区的判别标准,内,则有???即粗糙高度完全淹没在粘 性底层??一??????两者相差一倍笔者认为,水力光滑区界限是以粗糙元素是否对流场产生影响为依据而得到的,并不 一定要求?事实上,???????了时,粗糙元素即对外部流场产生影响由此得到水力光滑区的判据为??????????? ?占’????图?为了?占的关系曲线由图可见,无论床面粗糙程度如何,在本实验条件下有?,?占第?期王晋军?粘性底层特性的实验研究与?的式中????????‘合并得到寿?????占综上所述,水力光滑区判据为??占???寿???????占在确定了水力光滑区界限后,在连续的粘性底层可得出这样的结论?当?? ?时,在过渡粗 糙区亦存?? ??? 〔 ?叮 ? 「 ???份气 川? ? ??味? ? ??? ?自?? ? ?旧介介、、八八?飞 ?, 芷??印?带?‘年?,?只?? ? ?? ? ??? 〔 ?, ? ,、 、长? 心??仁协?一,李,仁?? ? ? 二二?份气??、 ?冲‘文文‘‘?味? ? 〕? ?刁乞乞一一乙么八。

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反 映概率密度 分布特性的偏斜系数S和峰凸系 数F见表l,且有S二洒/ [砰〕’‘ 2及F=‘州[ u勺“对均匀各向同性紊流而言, F=3. S二0由图5可见,纵向脉 动流速的概率密度 分布偏离正态分布,即流动不具备均匀各向同性的特性需要指出的是,在加糙情况 下,粘性底层内的S>0,与已有光滑床面紊流所得 的成果相一致从紊动产生机理来讲,在加糙情况下,床面附近的流动同样存在流速快慢带,紊动产生亦是 由碎发所致同样,在k:一定及宽深比D/H不同的情况下,概率密度仍可得到上述结果第2期王晋军:枯性底层特性的实验研究哥 }户甘 1目“甘u U切n姜6一916一43‘二‘二(二图5脉 动流 速概率 密 度分布F 19.5Probab ilitydistributio n of flu etu atingveloeities表1·!又{1吸cm/“)1〔砰〕‘12 /u.80’ 7 JO1 392 61S0 286 16}0 54⋯一⋯一6 221 762一⋯一l饰一从l一匕尸图5⋯、众) {(森)⋯(瑟)(·)⋯9一⋯3一(b)120 1 0 50321100 11.00352Tab l(四)相关 性图6为在3种粗糙高度情况 下,粘性底层内自相关系数R(O的变化曲线。

由图可见,起初R(t )急剧衰减,且分别在o,9 7、1.0 6及1.0 55时由最大值R(0 )=1.0减至0,此 后,自相关系数R(t ) 在0附近很小范围内波动,说明此时相关性不大上 !(‘)( a夕析.觅乞二, ’.‘“:.招c.H.写.方.分 (一 )伪)气 .5.二乳t皿 一, 5.衬,3一:1‘.“.. d‘‘~“. .通~,‘. .‘电盛. .‘目 加,”才(s)瓦.1 0二,介,了.助二“c.万.队‘ 5“图6自相关系数曲线Fig.6Curves ofauto一eorre lationeoeffie ients水利水运科学研究1992年6月三,结语(一)在本实验条件下,均有连续的粘性底层存在本文给出3种粗糙高度下 的粘性底层实际厚度 夕与粗糙雷诺数Re的变化规律((l )~(3)式 )粘性底层的实际厚度 澎与名义厚度占的关系 为占,=0. 77占二)笔者认为,以Re.寿;不太严 谨事实上,掩:>0.5 1 ( 1,时,粗糙元素对流场就产生影响,从而木文给出了水力光 滑区的判据为 (9)式三)粘性底层 纵向脉动流速的概率密度分布曲线呈正的偏斜,流动不能按均匀各向同性紊 流来处理。

对于过渡粗糙床而, S>o意味着在粘性底层内同样存在 流动的慢速带,流体的紊动亦是 由碎发所致四 )粘 性底层内的紊流强度〔反吸〕’‘2/可用对数式来描述,仅系数略有不 同五)自相关系数R(O由l变化到的时间较短 (本文得到t= 1.05),说 明紊流大涡旋平均线尺 度较小(即紊流涡旋较小)当时 间t>,一05时, R(O在0附近波动,说明相关性不大参考文献123456789Clark J A.Astudyof ineompressibleturbulentboundarylayersin channelflow.J BasieEng, ASCE, 1968;455一 468Rie har dsonEV,Me Quive yR5.Measurementofturbulenee inwaterflow.JHydrDiv, ASCE, i马65,9 4, HYZ,‘11一 429Nezul, RodiW. OPenehannelflowmeasurementswithaLDA. JHydrEng,ASCE, 1986;112(5):335一 3555te ffler PM, Ra jaratnamN, PetersonAW. LDAmeasurementsinoPene hanne l.JHydr Eng, ASCE, 1985,1 2 2(1):1 1 9一 130董 曾南,丁元.光滑壁 面明渠均匀紊流水力特性.中国科学( A辑), 198 9; (1 1);1208一1 21 8WangJ inju n.Cha r aete ristie softhebou nda rylaye rf lowwithfr o e一surfaeeoveratransitional lyroughflatplate. JHydr Eng, 2990孙厚钧,苹钟南,宋传琳,陶晓峰.偏振差动式L D A的测速机理及其应用.力学学报,1982;(2):188一 19理A1fr edso nPH, JohansonAV, HaritonidisJH, EekelmannH.Thefluetuatingwall一shearstressandtheveloeit yfieldintheviseoussublayer.PhysFlu ids,1988;31(5):1026一 1033EekelmannH. Thestruetureoftheviseoussublayerandth。