高天达-管道湍流边界层中颗粒与大尺度湍流结构相互作用机理探究.pdf

1、1管道湍流边界层中颗粒与大尺度湍流结构管道湍流边界层中颗粒与大尺度湍流结构相互作用机理探究相互作用机理探究20262026中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议辽宁工业大学 机械工程与自动化学院汇报人 高天达2026 年 3月 28日，沈阳2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议020304颗粒对湍流相干结构的调制作用颗粒对湍流统计量的调制作用报告内容报告内容01研究背景与意义实验装置与方法05颗粒的倾向性分布06总结22 0 2 6 中欧管道工

2、程与非开挖修复技术学术会议2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议01 研究背景与意义32 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议1 研究背景与意义4管道被砂石淤泥填满非开挖技术修复污水管网2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议相干结构相干结构的定性定义：“流场中某一流动参量（速度、密度、温度等）与自身

3、或其他流动参量在时间和空间上所呈现出来的相关性明显高于和当地流场最小尺度相关的那些三维区域”。（Robinson.1991）Marusic等（2010）将相干结构划分为三类：1.条带结构(streaks)和（准）流向涡(quasi-streamwise vortices）.这类结构位于湍流边界层的黏性底层和缓冲层内，与近壁自维持相关，其动力学过程与缓冲层内雷诺应力及湍动能产生项密切相关；2.发卡涡/发卡涡包（hairpin vortex/hairpin vortex packet）.这类结构位于壁湍流对数率区与外区，并与大尺度运动（Large scale motion,LSM）相关；3.超大尺

4、度运动(very large scale motion,VLSM)或超结构(superstructure).一般产生在高雷诺数湍流边界层的对数率区。研究方法：粒子图像测速技术（PIV）、湍流直接数值模拟（direct numerical simulation,DNS）等。52 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议2 0 2 6 中欧管道工程与非开挖修复技术学术会议壁湍流中的条带结构（streaks）(a),(b)边界层氢气泡流动显示实验（Kline et al.1967）(c),(d)槽道湍流直接数值模拟，Re=395。黑色：u0

5、。（许春晓.2015）(e)壁湍流中的流向涡结构。俯视图：0y+60内2=-0.3等值面（直接数值模拟槽道湍流，Re=180）（Jeong et al.1997)当当y+30时时，低速流体呈沿流向拉长低速流体呈沿流向拉长、展向准周期变化的条带形状展向准周期变化的条带形状，流向长流向长1000以上以上，展向平均间距约展向平均间距约80120（Kim et al.1987）在在y+20后后，雷诺应力减弱；颗雷诺应力减弱；颗粒流场偏斜因子和平坦因子的变化趋势和清水流场一致粒流场偏斜因子和平坦因子的变化趋势和清水流场一致，只在近壁区域数值有明显变化只在近壁区域数值有明显变化。（2）与清水流场相比与清水

6、流场相比，颗粒的加入增加了近壁条带结构的平均间距颗粒的加入增加了近壁条带结构的平均间距。（3）清水流场清水流场LCS符合典型的发卡涡和发卡涡包特征；在颗粒流场中符合典型的发卡涡和发卡涡包特征；在颗粒流场中，靠近壁面有尚靠近壁面有尚未抬升的流向涡结构；发卡涡包内首尾相连的发卡涡因为相互作用导致发卡涡尾部弯折未抬升的流向涡结构；发卡涡包内首尾相连的发卡涡因为相互作用导致发卡涡尾部弯折，使发卡涡包整体尺寸被压缩使发卡涡包整体尺寸被压缩。颗粒流场中发卡涡流向尺度收到抑制颗粒流场中发卡