[论文解读] Développement d'instabilités dans un écoulement subsonique se développant au-dessus d'une cavité : mesures synchronisées PIV-LDV

Thierry M. Faure, François Lusseyran+3 more|ArXiv.org|Sep 1, 2006

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 5被引用 3

一句话总结

本研究调查了雷诺数在4,600至18,500之间的矩形腔体（长深比为2）上的亚音速边界层流动。通过同步的PIV与LDV测量，作者分析了腔体上方剪切层中不稳定性的发展，揭示了锁相的涡结构和时间分辨的速度脉动，其中通过LDV信号的奇异值分解获得相位平均的PIV数据。

ABSTRACT

A boundary layer interacting with a cavity is a benchmark case that is present in environmental applications, aeronautics, automobile aerodynamics or industrial applications, where the velocity over a rectangular cavity is relatively low. In the present investigation, the interaction between a laminar boundary layer with external velocity Ue and an open cavity is investigated experimentally for medium range Reynolds numbers (between 4600 and 18500) with flow diagnostics optical methods, for a cavity aspect ratio (length over depth) of two. A shear layer induces a main vortex and a counter-rotating secondary vortex inside the cavity. The shear layer also develops instabilities interacting with the downstream cavity edge. Particle image velocimetry (PIV) and laser Doppler velocimetry (LDV) measurements are synchronized in order to get global information of both spatial velocity fields and time-resolved signals in a particular position situated downstream of the development of the shear layer above the cavity. The PIV velocity fields are phase-averaged with a singular value decomposition of the LDV signal.

研究动机与目标

• 通过实验研究层流边界层与矩形腔体相互作用时水动力不稳定性的发展。
• 理解腔体上方形成的剪切层的非定常动力学，特别是其与下游边缘的相互作用。
• 表征腔体流场中速度场和涡结构的空间与时间演化。
• 验证同步PIV-LDV测量技术在捕捉复杂剪切层流中全局流场与时间分辨信号的能力。
• 利用LDV数据的奇异值分解分析不稳定的锁相行为，以提取相干结构。

提出的方法

• 在长深比为2（长度/深度）的矩形腔体上进行亚音速边界层流的实验。
• 采用粒子成像测速（PIV）获取流场区域内空间分辨、时间平均的速度场。
• 在特定下游位置使用激光多普勒测速（LDV）获取高分辨率、时间分辨的速度信号。
• 同步PIV与LDV测量，将全局流场结构与局部非定常脉动相关联。
• 对LDV信号应用奇异值分解（SVD），以提取主导振荡模态，并据此对PIV数据进行锁相。
• 进行相位平均PIV分析，以重构与主导不稳定性相关的相干速度结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在亚音速边界层流中，矩形腔体上方剪切层中的不稳定性如何发展？
• RQ2 在腔体内形成的主涡和次级涡的空间结构及其时间演化特征是什么？
• RQ3 LDV测得的非定常脉动与PIV捕获的全局速度场之间有何关联？
• RQ4 对LDV信号进行奇异值分解在提取相干振荡模态以实现PIV数据相位平均方面，其有效性如何？
• RQ5 下游腔体边缘在调制剪切层不稳定性中起什么作用？

主要发现

• 由于剪切层不稳定性，腔体内形成了一个主涡和一个反向旋转的次级涡。
• 剪切层表现出强烈的非定常振荡行为，且与下游腔体边缘强烈相互作用。
• 同步PIV与LDV测量成功捕捉了全局流场结构和局部时间分辨速度脉动。
• 通过LDV信号的SVD导出的相位平均PIV数据揭示了剪切层中相干的、时间锁定的涡结构。
• 主导不稳定性频率与剪切层的自然振荡相关，具有可测量的生长与脱落特性。
• 该方法通过相位同步将空间PIV数据与时间LDV信号结合，实现了非定常流动力学的精确重构。