[论文解读] An experimental study on turbulent-stripe structure in transitional channel flow

Takahiro Tsukahara, Yasuo Kawaguchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2014

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 9被引用 13

一句话总结

本实验研究通过使用反光薄片颗粒进行流动可视化及激光多普勒测速，探究了过渡态通道流中的湍流条纹结构。在雷诺数 Re = 1700–2000 范围内，观察到与流向方向呈 20–30° 倾斜的湍流条纹，其流向波长约为 60δ，同时存在间距为 1.6δ 的 spanwise 对齐条纹；过渡的临界雷诺数确定为 Re = 1300。

ABSTRACT

Turbulent stripe, which would occur in turbulent channel flows at transitional Reynolds numbers, was studied experimentally by flow visualization using reflective flake particles. In a range of bulk mean Reynolds number Re = 1700-2000, the turbulent stripe was observed to be inclined at angles of 20-30 degree against the streamwise direction, and its streamwise wave length was about 60 times of the channel half width ($δ$). The longitudinal streaks with the spanwise spacing of 1.6$δ$ were found in the quasi-laminar regions. The critical Reynolds number was Re = 1300. Time traces of the streamwise velocity were measured by laser Doppler velocimetry, revealing similarity to the equilibrium turbulent puff in the transitional pipe flow.

研究动机与目标

• 通过实验研究过渡态通道流中湍流条纹结构的形成与特性。
• 确定湍流条纹在流动中首次出现的临界雷诺数。
• 分析湍流条纹的空间取向、波长以及与之相关的条纹在 spanwise 方向的间距。
• 将过渡态通道流中的时间速度脉动与管道流中观察到的平衡态湍流泡（equilibrium turbulent puffs）进行比较。

提出的方法

• 利用反光薄片颗粒进行流动可视化，以观察通道流中的湍流条纹结构。
• 采用激光多普勒测速（LDV）测量过渡流态下流向速度的时间序列。
• 将整体平均雷诺数在 Re = 1300 至 2000 范围内变化，以识别湍流条纹形成的起始点。
• 测量条纹相对于流向方向的倾斜角度，并以通道半高 δ 表示流向波长。
• 分析准层流区域中纵向条纹之间的 spanwise 间距。
• 将速度脉动动力学与过渡态管道流中平衡态湍流泡进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 湍流条纹结构在过渡态通道流中首次出现的雷诺数是多少？
• RQ2 在过渡态下，湍流条纹相对于流向方向的倾斜角度是多少？
• RQ3 湍流条纹的流向波长与通道半高 δ 的关系如何？
• RQ4 准层流区域中纵向条纹的 spanwise 间距与结构如何与湍流条纹模式相关？
• RQ5 通道流中的时间速度脉动与管道流中平衡态湍流泡的时间速度脉动有何异同？

主要发现

• 实验测得通道流中湍流条纹结构出现的临界雷诺数为 Re = 1300。
• 在 Re = 1700–2000 范围内，观察到湍流条纹相对于流向方向呈 20–30° 倾斜。
• 测得湍流条纹的流向波长约为通道半高 δ 的 60 倍。
• 在湍流条纹相邻的准层流区域中，识别出 spanwise 间距为 1.6δ 的纵向条纹。
• LDV 测得的流向速度时间序列与过渡态管道流中观察到的平衡态湍流泡表现出动态相似性。
• 所观测到的流动结构与动力学表明，这是一种空间上局域化的湍流区域嵌入在整体层流流场中的过渡态。