[论文解读] Lagrangian structure functions in a turbulent flow at intermediate Reynolds number

Jacob Berg, Søren Ott+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2009

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 3

一句话总结

本研究提出了一种稳健的方法，用于在中等雷诺数湍流中测量拉格朗日结构函数，克服了有限测量体积带来的偏差。尽管未出现完全发展的惯性区间，但在耗散尺度上观察到强烈的间歇性，而多重分形模型仅部分捕捉了实验结果。

ABSTRACT

Lagrangian properties obtained from a Particle Tracking Velocimetry experiment in a turbulent flow at intermediate Reynolds number are presented. Accurate sampling of particle trajectories is essential in order to obtain the Lagrangian structure functions and to measure intermittency at small temporal scales. The finiteness of the measurement volume can bias the results significantly. We present a robust way to overcome this obstacle. Despite no fully developed inertial range we observe strong intermittency at the scale of dissipation. The multifractal model is only partially able to reproduce the results.

研究动机与目标

• 使用粒子追踪测速技术准确测量中等雷诺数湍流中的拉格朗日结构函数。
• 解决由于测量体积有限而在轨迹采样中引入的显著偏差。
• 在缺乏完全发展惯性区的情况下，研究小时间尺度上间歇性的存在与性质。
• 评估多重分形模型在无完全发展惯性区条件下再现实验拉格朗日结构函数数据的能力。

提出的方法

• 采用粒子追踪测速（PTV）技术，获取湍流中高分辨率的粒子轨迹。
• 实施一种稳健的数据处理技术，以校正轨迹采样中因测量体积有限而引起的偏差。
• 从校正后的粒子轨迹计算拉格朗日结构函数，以分析随时间变化的速度增量。
• 将测量得到的结构函数与多重分形模型的预测进行比较，以评估其在小尺度上的有效性。
• 聚焦于接近耗散区的时间尺度，以检测间歇性效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限测量体积在多大程度上影响湍流中拉格朗日结构函数测量的准确性？
• RQ2 在中等雷诺数湍流中，耗散尺度上的间歇性程度如何？
• RQ3 在缺乏完全发展惯性区的情况下，多重分形模型能否充分描述测量得到的拉格朗日结构函数？
• RQ4 当测量体积效应显著时，需要采取何种校正措施以获得可靠的拉格朗日统计量？

主要发现

• 有限测量体积在拉格朗日结构函数测量中引入了显著偏差，而所提出的校正方法能有效缓解该问题。
• 即使流场中未出现完全发展的惯性区，仍在耗散尺度上观察到强烈的间歇性。
• 多重分形模型未能完全再现测量得到的结构函数，表明其在中等雷诺数湍流的小时间尺度上存在适用性局限。
• 经校正的测量方法使我们能够可靠地获取小时间尺度上的拉格朗日统计量，揭示了速度增量中的非高斯特征。