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超疏水壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验
  • ISSN号:1000-8055
  • 期刊名称:《航空动力学报》
  • 时间:0
  • 分类:V231[航空宇航科学与技术—航空宇航推进理论与工程;航空宇航科学技术] O357.5[理学—流体力学;理学—力学]
  • 作者机构:[1]天津大学机械工程学院力学系,天津300072, [2]天津大学天津市现代工程力学重点实验室,天津300072, [3]清华大学航天航空学院工程力学系,北京100084
  • 相关基金:国家自然科学基金(11272233,11332006,11411130150); 国家重点基础研究发展计划(2012CB720101,2012CB720103)
中文摘要:

利用高时间分辨率粒子图像测速(TRPIV)技术,开展超疏水壁面材料湍流边界层减阻机理的实验研究.在循环水槽中,对超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层瞬时速度矢量场的时间序列进行了实验测量.得到了同一来流速度(0.17m/s)下超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层的平均速度、湍流度及雷诺切应力沿法向的分布规律.提出了空间多尺度局部平均涡量的概念,并以此为特征量检测壁湍流发卡涡展向涡头的中心位置.用条件采样及空间相位平均技术提取了不同法向位置发卡涡展向涡头周围流向脉动速度和流线的空间拓扑,对发卡涡展向涡头的俯仰角进行了对比,并从鞍点-焦点动力系统的角度分析了发卡涡展向涡头附近的流线拓扑特征.研究表明:雷诺数约为13 500时,相比亲水壁面,超疏水壁面实现了10.1%的减阻.超疏水壁面平均速度明显增大,雷诺切应力减小,流向湍流度减弱,发卡涡展向涡头俯仰角较小,近壁区相干结构的发展受到抑制.

英文摘要:

Drag-reduction in turbulent boundary layer (TBL) over superhydrophobic surfaces was investigated by the time-resolved particle image velocimetry (TRPIV). Time series of velocity vector fields in TBL over superhydrophobic surfaces and hydrophilic sur faces were measured in a cyclical water channel. The distributions of mean velocity profile, Reynolds shear stress and turbulence intensity along wall-normal direction were acquired at the same free-stream velocity (0.17 m/s). The center of the head of hairpin vortex in wall turbulence was detected with the multi-scale spatial locally-averaged vorticity. Conditional sampling and phase average methods were utilized to extract the spatial topologies of span- wise vortices at different normal positions. Streamwise fluctuation velocity and the pitching angle of spanwise vortex in both cases were compared. The features of streamline topologies around spanwise vortex were analyzed from the saddle-focus dynamical system. Results revealed that a drag reduction of 10.1% is acquired if Reynolds numbers are about 13500. For superhydrophobic surfaces, the average velocity seems to be increased, Reynolds shear stress is decreased, streamwise turbulence intensity is weakened, the pitching angle of spanwise vortex is smaller, and the development of coherent structure near wall region is suppressed.

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期刊信息
  • 《航空动力学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科协
  • 主办单位:中国航空学会
  • 主编:陶智
  • 地址:北京市海淀区学院路37号
  • 邮编:100191
  • 邮箱:JAP@buaa.edu.cn
  • 电话:010-82317410
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-8055
  • 国内统一刊号:ISSN:11-2297/V
  • 邮发代号:
  • 获奖情况:
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),波兰哥白尼索引,荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国剑桥科学文摘,英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:13986