明渠紊流的猝发现象课件

明渠紊流的猝发现象明渠紊流的猝发现象1目录猝发现象明渠紊流猝发现象23紊流1目录猝发明渠紊流23紊流12紊流1紊流13紊流定义及其特性紊流是一种不规则的流动状态，其流动参数随时间和空间作随机变化，因而其本质上是三维非定常流动，且流动空间分布着无数大小、形状各不相同的漩涡。1.随机性2.扩散性3.有旋性、三维性.4.大雷诺数性质5.耗散性主要特征6.连续性7.相关性8.间歇性9.拟序性紊流定义及其特性紊流是一种不规则的流动状态，其流动参数随时间4猝发现象2猝发现象25猝发现象流动稳定性理论主要研究可能发生的流动条件而并未涉及紊流发生的物理过程。猝发现象则是紊流得以发生和赖以维持的物理过程。在流动稳定的情况下，即使产生明显的扰动，也将被衰减，因而流动型态并不会从层流转变为紊流。一旦流动失去稳定，在壁面边界层流动中，猝发现象将导致层流到紊流的转变，并提供维持紊流运动所需要的大部分能量。TextTextTextTextTextText猝发现象流动稳定性理论主要研究可能发生的流动条件而并未涉及紊6图6-14表示了猝发现象的过程及各个阶段的速度分布曲线形状，图中实线为瞬时流速分布，虚线为时均流速分布。图6-14表示了猝发现象的过程及各个阶段的速度分布曲线形状，7马蹄涡头部的上举最终形成底部低速流体向上层高速流动区域喷射，喷射一般发生在y+=10~30的流区。可以把相邻两个喷射之间的时间间隔作为猝发现象的周期。低速流体向上喷射将伴随上层高速流体向下层俯冲而形成清扫。喷射和清扫都形成流体内部的剪切层，使断面瞬时流速呈现相当复杂的状况。

图6-15表示在猝发的喷射阶段（a）及清扫阶段（b）的瞬时流速分布曲线。

马蹄涡头部的上举最终形成底部低速流体向上层高速流动区域喷射，8清扫过后瞬时的流速分布恢复正常，拐点消失，如图6-14所示。清扫过程中的速度分布如图6-15中曲线（b）。由马蹄涡的形成、发展到发生喷射和清扫，整个过程称为猝发现象。清扫过后，粘性底层中重新出现低速带，开始一个新的猝发过程。清扫过后瞬时的流速分布恢复正常，拐点消失，如图6-14所示。9表面糙率与明渠紊流猝发现象3表面糙率与明渠310已有实验研究证明猝发现象(burstingphenomenon)是紊流的普遍现象,当紊动水流的流速增大到一定程度,尽管发生的时间和位置尚无法精确预言,但从高低速相间的条纹到低速马蹄涡摇摆抬升,再从低速流体向外层喷射(ejection)到外层高速流体向边界层内低速区俯冲清扫(sweep)……这一系列现象会依次演变.虽然已有学者证明表面粗糙时也会发生与表面光滑时相类似的猝发现象,但对有关规律的认识很有限,十分需要深入进行相关的定性分析和量化研究.TextTextTextTextTextText已有实验研究证明猝发现象(burstingphenom111.1实验装置有机玻璃循环水槽壁面光滑,试验段长130cm,宽14.5cm,高12cm.采用PIV粒子图像速度场仪和氢气泡流场显示仪拍摄流场图像后进行有关分析.系列试验采用五种材料使水槽底部糙率相互间有数量级差异并且在较大范围内变化:(1)光面有机玻璃平板;(2)粘贴500目防水砂纸的有机玻璃平板;(3)粘贴360目防水砂纸的有机玻璃平板;(4)粘结d50=0.5mm树脂颗粒的有机玻璃平板;(5)粘结d50=6.0mm塑料颗粒的有机玻璃平板.1.1实验装置有机玻璃循环水槽壁面光滑,试验段长13121.2实验方案测试在水槽试验段进口下游95cm处进行.调整水泵电机频率使断面雷诺数ReR

在6050至9240的范围内变化,相应的摩阻流速U*的变化范围是0.005～0.020m/s;表面粗糙雷诺数ReΔ的变化范围是0.082至105.有关参数的定义和计算公式:ReR=RV/νReΔ=ΔU*/ν系列试验的近壁区流态分别为明渠水流的光滑区、过渡区和粗糙区,由于小型明槽壁面光滑时断面形状对谢才系数C的影响可略,故采用光滑圆管模式估算光滑区的断面平均流速;过渡区和粗糙区的估算公分别采用:V=U*(5.75lg(2RU*ν)+1.75)V=-5.6569U*lg(0.083ΔR+2.21x10-6(U*R))V=U*(5.75lg(HΔ)+6.25)其中:R为断面水力半径,单位为m；ν为水体的运动粘滞系数,单位为m2/s;

Δ为表面粗糙的凸起高度,单位为m;U*为摩阻流速;H为水深,单位为m。1.2实验方案测试在水槽试验段进口下游95cm处进行13明渠紊流的猝发现象课件142流场综合分析法紊流猝发现象借助于流动显示才逐渐被人们所认识。过去广泛采用条件采样技术,特别是象限法来检测猝发现象的发生.但单纯的流动显示法和着眼于分析点量测数据的条件采样法均有局限性.由于紊流拟序结构本身是场现象,宜着眼于流场分析将流动显示与计算机图像处理相结合.流场综合分析法是充分利用PIV粒子图像速度场仪和流动显示功能对猝发现象进行全面综合场分析.在观测部位上游设置直径约为0.01mm的细铂金丝为负电极,直流电脉冲电解水体,沿铂金丝形成极为细小的氢气泡.由于直流电脉冲产生的氢气泡直径仅0.1mm,对流场干扰较小,氢气泡“云团”能够很好地跟随流体运动,适宜作为研究猝发现象的流动示踪物.

2流场综合分析法紊流猝发现象借助于流动显示才逐渐被人们所认152流场综合分析法采用TSI公司的PIV粒子图像速度场仪.由两个激光发生器各自发出系列脉冲片状激光照射流场,脉冲间歇时间为1/15s;工作时两个激光发生器相应地先后发出激光照射时它们的时间间隔极短,为1/5000s;照相机在两个激光发生器工作时同步连续拍照.照相机的有效拍照范围为80×80mm;由于片状激光的厚度仅1mm,对两幅由不同激光照射而时间间隔仅为1/5000s的照片进行相关分析可获得高精度的流速矢场图,并可进行瞬时流速分析计算。2流场综合分析法采用TSI公司的PIV粒子图像速度163.1猝发形态成果分析实验结果表明,若表面粗糙度不大,当粗糙雷诺数ReΔ值较小时可清楚地观测到单个喷射和清扫现象(参见上图),群体喷射较少;3.1猝发形态成果分析实验结果表明,若表面粗糙度不大,17当ReΔ值较大时,喷射呈显多头群体喷发趋势(参见图3a).随着表面粗糙度增大,即使ReΔ值不大单喷也在减少,而群体喷发增加.ReΔ增加后,主流区的平均动能和床面附近的紊动动能都在增加,喷发密度明显增加;清扫射流遭遇到多次喷发形成的“喷射垫层”的抵抗,常常不能一次性地迅速清扫床面区域,需持续清扫;ReΔ值显著增加后,喷射在清扫时也常发生(参见图3c)当ReΔ值较大时,喷射呈显多头群体18试验表明相对于水深H的“喷射垫层相对厚度η”随粗糙雷诺数ReΔ有增加趋势,由水深的1/20达到1/10(参见图4).试验表明相对于水深H的“喷射垫层相对厚度η”随粗193.2猝发周期Tb定义无量纲猝发周期

Tb

为:Tb=TU*/

H由图可见当ReΔ<1时猝发周期Tb

大约为0.0249～0.042,变化不大;当ReΔ>5时猝发周期Tb增值较多,达到0.0706.其原因是随着粗糙雷诺数ReΔ的增加,猝发呈多头喷发态势,清扫与喷发相持时间延长导致猝发周期Tb

加大.在ReΔ增加到一定程度,原较清晰的紊流猝发周期变得较为模糊.3.2猝发周期Tb定义无量纲猝发周期由图可见当ReΔ203.3喷射角ϕ与相对喷射高度ζ

相对喷射高度：ζ=ymax/H由图可见,随着粗糙雷诺数ReΔ的增加,相对喷射高度ζ有逐渐增加的趋势,约可达到1/8断面水深;而最大喷射角ϕ的变化范围较大,约为35～75°,当粗糙雷诺数ReΔ增大时边界层内紊动加大使得喷射角有加大的趋势.3.3喷射角ϕ与相对喷射高度ζ相对喷射高度：由图可见213.4喷射尺度Le+

与清扫尺度Ls+定义无量纲喷射尺度Le+

与清扫尺度Ls+

为:Le+=LeU*/

νLs+=LsU*/ν实验表明,随着雷诺数ReΔ的增大,喷射范围和清扫范围均有增大趋势;清扫范围明显大于喷射范围,但清扫范围尚不到喷射范围的2倍.3.4喷射尺度Le+与清扫尺度Ls+定义无量纲喷射尺度223.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图10为NXF10/036A时多头群喷照片及其流速矢量场图.计算分析表明,在发生喷射部位边界层近底流速相对较小,仅为0.06m/s;左方喷射头部的流速矢量显示了喷射流体最大喷射速度达到0.20m/s,是底部流速的3倍多.3.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图10为NX233.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图11为NXF10/039A清扫开始的照片及其流速矢量场图3.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图11为243.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图12的照片和矢量场图表明ReΔ值较大时存在“喷射垫层”的抵抗.3.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图12的照253.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图13显示NMF10试验时的清扫情景,在左方清扫区沿流向可以清楚地分辨出下扫矢量与上射矢量合成为水平矢量后与上射矢量相间分布,在中部还可见下扫矢量.3.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图13显示263.5速度矢量场分析3.5.2由单喷向群喷转变3.5速度矢量场分析3.5.2由单喷向群喷转变273.5速度矢量场分析3.5.3次生流促进喷射明渠横断面内的次生流在猝发过程中起重要作用,它使马蹄涡摆动,有利于马蹄涡抬升直到寻找到突破口发生喷射.在图17的照片中喷射处上游看不见明显的喷射现象,由流速矢量场图可见上游已有喷射和次生流流动,正是次生流促进了喷射(参见图18).3.5速度矢量场分析3.5.3次生流促进喷射明渠横断面内的次283.5速度矢量场分析3.5.4喷射提高水体动能κ和紊动耗散率ε发生猝发现象时流体被喷射到边界层稍高部位后向四面八方迸裂,最终是使周围水体的动能κ和紊动耗散率ε明显加大.由图19可见床面附近水体的动能和紊动耗散度均较低,而喷射水体附近的动能和紊动耗散度均分别提高了好几倍.3.5速度矢量场分析3.5.4喷射提高水体动能κ和紊动耗29床面粗糙雷诺数Rex

对紊流拟序结构的特性有重要影响.群喷导致了喷射垫层的形成,其厚度随粗糙雷诺数增大;喷射迸发区水体动能和紊流耗散率较床面显著提高4结论增大粗糙雷诺数使群喷现象增多,定量分析表明喷射角、喷射高度、猝发周期、喷射尺度以及清扫尺度均趋于增大.床面粗糙雷诺数Rex对紊流拟序结构的特性有重要影响.3031谢谢观看31谢谢观看明渠紊流的猝发现象明渠紊流的猝发现象32目录猝发现象明渠紊流猝发现象23紊流1目录猝发明渠紊流23紊流133紊流1紊流134紊流定义及其特性紊流是一种不规则的流动状态，其流动参数随时间和空间作随机变化，因而其本质上是三维非定常流动，且流动空间分布着无数大小、形状各不相同的漩涡。1.随机性2.扩散性3.有旋性、三维性.4.大雷诺数性质5.耗散性主要特征6.连续性7.相关性8.间歇性9.拟序性紊流定义及其特性紊流是一种不规则的流动状态，其流动参数随时间35猝发现象2猝发现象236猝发现象流动稳定性理论主要研究可能发生的流动条件而并未涉及紊流发生的物理过程。猝发现象则是紊流得以发生和赖以维持的物理过程。在流动稳定的情况下，即使产生明显的扰动，也将被衰减，因而流动型态并不会从层流转变为紊流。一旦流动失去稳定，在壁面边界层流动中，猝发现象将导致层流到紊流的转变，并提供维持紊流运动所需要的大部分能量。TextTextTextTextTextText猝发现象流动稳定性理论主要研究可能发生的流动条件而并未涉及紊37图6-14表示了猝发现象的过程及各个阶段的速度分布曲线形状，图中实线为瞬时流速分布，虚线为时均流速分布。图6-14表示了猝发现象的过程及各个阶段的速度分布曲线形状，38马蹄涡头部的上举最终形成底部低速流体向上层高速流动区域喷射，喷射一般发生在y+=10~30的流区。可以把相邻两个喷射之间的时间间隔作为猝发现象的周期。低速流体向上喷射将伴随上层高速流体向下层俯冲而形成清扫。喷射和清扫都形成流体内部的剪切层，使断面瞬时流速呈现相当复杂的状况。

图6-15表示在猝发的喷射阶段（a）及清扫阶段（b）的瞬时流速分布曲线。

马蹄涡头部的上举最终形成底部低速流体向上层高速流动区域喷射，39清扫过后瞬时的流速分布恢复正常，拐点消失，如图6-14所示。清扫过程中的速度分布如图6-15中曲线（b）。由马蹄涡的形成、发展到发生喷射和清扫，整个过程称为猝发现象。清扫过后，粘性底层中重新出现低速带，开始一个新的猝发过程。清扫过后瞬时的流速分布恢复正常，拐点消失，如图6-14所示。40表面糙率与明渠紊流猝发现象3表面糙率与明渠341已有实验研究证明猝发现象(burstingphenomenon)是紊流的普遍现象,当紊动水流的流速增大到一定程度,尽管发生的时间和位置尚无法精确预言,但从高低速相间的条纹到低速马蹄涡摇摆抬升,再从低速流体向外层喷射(ejection)到外层高速流体向边界层内低速区俯冲清扫(sweep)……这一系列现象会依次演变.虽然已有学者证明表面粗糙时也会发生与表面光滑时相类似的猝发现象,但对有关规律的认识很有限,十分需要深入进行相关的定性分析和量化研究.TextTextTextTextTextText已有实验研究证明猝发现象(burstingphenom421.1实验装置有机玻璃循环水槽壁面光滑,试验段长130cm,宽14.5cm,高12cm.采用PIV粒子图像速度场仪和氢气泡流场显示仪拍摄流场图像后进行有关分析.系列试验采用五种材料使水槽底部糙率相互间有数量级差异并且在较大范围内变化:(1)光面有机玻璃平板;(2)粘贴500目防水砂纸的有机玻璃平板;(3)粘贴360目防水砂纸的有机玻璃平板;(4)粘结d50=0.5mm树脂颗粒的有机玻璃平板;(5)粘结d50=6.0mm塑料颗粒的有机玻璃平板.1.1实验装置有机玻璃循环水槽壁面光滑,试验段长13431.2实验方案测试在水槽试验段进口下游95cm处进行.调整水泵电机频率使断面雷诺数ReR

在6050至9240的范围内变化,相应的摩阻流速U*的变化范围是0.005～0.020m/s;表面粗糙雷诺数ReΔ的变化范围是0.082至105.有关参数的定义和计算公式:ReR=RV/νReΔ=ΔU*/ν系列试验的近壁区流态分别为明渠水流的光滑区、过渡区和粗糙区,由于小型明槽壁面光滑时断面形状对谢才系数C的影响可略,故采用光滑圆管模式估算光滑区的断面平均流速;过渡区和粗糙区的估算公分别采用:V=U*(5.75lg(2RU*ν)+1.75)V=-5.6569U*lg(0.083ΔR+2.21x10-6(U*R))V=U*(5.75lg(HΔ)+6.25)其中:R为断面水力半径,单位为m；ν为水体的运动粘滞系数,单位为m2/s;

Δ为表面粗糙的凸起高度,单位为m;U*为摩阻流速;H为水深,单位为m。1.2实验方案测试在水槽试验段进口下游95cm处进行44明渠紊流的猝发现象课件452流场综合分析法紊流猝发现象借助于流动显示才逐渐被人们所认识。过去广泛采用条件采样技术,特别是象限法来检测猝发现象的发生.但单纯的流动显示法和着眼于分析点量测数据的条件采样法均有局限性.由于紊流拟序结构本身是场现象,宜着眼于流场分析将流动显示与计算机图像处理相结合.流场综合分析法是充分利用PIV粒子图像速度场仪和流动显示功能对猝发现象进行全面综合场分析.在观测部位上游设置直径约为0.01mm的细铂金丝为负电极,直流电脉冲电解水体,沿铂金丝形成极为细小的氢气泡.由于直流电脉冲产生的氢气泡直径仅0.1mm,对流场干扰较小,氢气泡“云团”能够很好地跟随流体运动,适宜作为研究猝发现象的流动示踪物.

2流场综合分析法紊流猝发现象借助于流动显示才逐渐被人们所认462流场综合分析法采用TSI公司的PIV粒子图像速度场仪.由两个激光发生器各自发出系列脉冲片状激光照射流场,脉冲间歇时间为1/15s;工作时两个激光发生器相应地先后发出激光照射时它们的时间间隔极短,为1/5000s;照相机在两个激光发生器工作时同步连续拍照.照相机的有效拍照范围为80×80mm;由于片状激光的厚度仅1mm,对两幅由不同激光照射而时间间隔仅为1/5000s的照片进行相关分析可获得高精度的流速矢场图,并可进行瞬时流速分析计算。2流场综合分析法采用TSI公司的PIV粒子图像速度473.1猝发形态成果分析实验结果表明,若表面粗糙度不大,当粗糙雷诺数ReΔ值较小时可清楚地观测到单个喷射和清扫现象(参见上图),群体喷射较少;3.1猝发形态成果分析实验结果表明,若表面粗糙度不大,48当ReΔ值较大时,喷射呈显多头群体喷发趋势(参见图3a).随着表面粗糙度增大,即使ReΔ值不大单喷也在减少,而群体喷发增加.ReΔ增加后,主流区的平均动能和床面附近的紊动动能都在增加,喷发密度明显增加;清扫射流遭遇到多次喷发形成的“喷射垫层”的抵抗,常常不能一次性地迅速清扫床面区域,需持续清扫;ReΔ值显著增加后,喷射在清扫时也常发生(参见图3c)当ReΔ值较大时,喷射呈显多头群体49试验表明相对于水深H的“喷射垫层相对厚度η”随粗糙雷诺数ReΔ有增加趋势,由水深的1/20达到1/10(参见图4).试验表明相对于水深H的“喷射垫层相对厚度η”随粗503.2猝发周期Tb定义无量纲猝发周期

Tb

为:Tb=TU*/

H由图可见当ReΔ<1时猝发周期Tb

大约为0.0249～0.042,变化不大;当ReΔ>5时猝发周期Tb增值较多,达到0.0706.其原因是随着粗糙雷诺数ReΔ的增加,猝发呈多头喷发态势,清扫与喷发相持时间延长导致猝发周期Tb

加大.在ReΔ增加到一定程度,原较清晰的紊流猝发周期变得较为模糊.3.2猝发周期Tb定义无量纲猝发周期由图可见当ReΔ513.3喷射角ϕ与相对喷射高度ζ

相对喷射高度：ζ=ymax/H由图可见,随着粗糙雷诺数ReΔ的增加,相对喷射高度ζ有逐渐增加的趋势,约可达到1/8断面水深;而最大喷射角ϕ的变化范围较大,约为35～75°,当粗糙雷诺数ReΔ增大时边界层内紊动加大使得喷射角有加大的趋势.3.3喷射角ϕ与相对喷射高度ζ相对喷射高度：由图可见523.4喷射尺度Le+

与清扫尺度Ls+定义无量纲喷射尺度Le+

与清扫尺度Ls+

为:Le+=LeU*/

νLs+=LsU*/ν实验表明,随着雷诺数ReΔ的增大,喷射范围和清扫范围均有增大趋势;清扫范围明显大于喷射范围,但清扫范围尚不到喷射范围的2倍.3.4喷射尺度Le+与清扫尺度Ls+定义无量纲喷射尺度533.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图10为NXF10/036A时多头群喷照片及其流速矢量场图.计算分析表明,在发生喷射部位边界层近底流速相对较小,仅为0.06m/s;