摘要：利用高时间分辨率粒子图像测速(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)技术,在不同雷诺数下对光滑壁面和二维顺流向、三维正弦波(two/three dimensional, 2D/3D)沟槽壁面湍流边界层流场进行了实验测量,从不同沟槽对湍流边界层相干结构影响的角度分析了其减阻的机理.对比不同壁面的各阶统计量结果发现:沟槽降低了壁面摩擦阻力,存在减阻效果,正弦波沟槽的减阻率增大.运用相关函数、λci检测准则等方法提取了不同壁面湍流边界层发卡涡和低速条带等典型相干结构的空间拓扑形态,结果表明:两种沟槽壁面的相干结构在流向和法向上的空间尺度均有不同程度的减小,且相干结构与主流之间的倾角趋于更小,流体在法向上的运动及结构的抬升受到明显抑制,发卡涡诱导喷射和扫掠的能力降低,从而影响了湍流中能量与动量的输运过程及湍流的自维持机制,且相比于2D沟槽, 3D正弦波沟槽作用效果更为明显.在同一雷诺数下,随着距离壁面法向位置的增加,不同壁面湍流边界层低速条带的展向间距都变宽;但同一法向位置处2D/3D沟槽壁面湍流边界层低速条带的间距与光滑壁面的相比更宽,沟槽的存在有效抑制了低速条带在展向上的运动,使得低速条带更稳定.

关键词：壁湍流 减阻 相干结构 正弦波沟槽 

单位：天津大学机械工程学院; 天津300072; 青岛海洋科学与技术试点国家实验室; 青岛266237