面向细颗粒泥沙絮凝沉降实验的双层横向振荡网格湍流特性PIV测量与强度校准

《Water》：PIV Experiments on Turbulence Characteristics of Double-Layer Oscillating Grid

　　

为构建可控湍流环境，研究人员采用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）对双层振荡网格开展了实验。研究人员在1–6 Hz振荡频率和4、6、8 cm冲程条件下利用PIV获得二维速度场，随后分析了平均速度、均方根（root-mean-square, RMS）速度脉动、雷诺剪切应力和功率谱密度。Window II中心区域的平均速度总体接近于零，因此选取中心10 cm × 10 cm区域作为流场统计分析和湍流强度标定的工作区。由于水平和垂直RMS速度脉动在量级上存在差异，研究人员分别建立了二者与网格运行参数之间的关系。在所分析工况下，中心工作区水平速度脉动的积分时间尺度约为0.846 s。无量纲谱分析进一步表征了不同测量位置处速度脉动的频率分布。该研究为装置标定提供了基础，并为后续在受控湍流条件下开展细颗粒泥沙絮凝与沉降室内实验的运行工况设置提供了参考。

研究背景方面，细颗粒泥沙的絮凝与沉降受水动力条件控制，黏性细颗粒可形成絮团，絮团生长与破碎会改变颗粒粒径、密度和沉降行为。室内实验已表明，对给定泥沙，絮团特征随湍流剪切条件变化；开展此类研究需要明确实验装置所产生的水动力条件，并建立装置运行参数与实测流场特征之间的联系，从而为不同实验条件下结果的比较提供依据。对于下塔里木河细颗粒泥沙絮凝与沉降的室内研究，双层振荡网格装置的流场测量与标定是界定实验水动力条件的基础。振荡网格湍流通过网格周期性往复运动向水体持续输入能量，在适当装置配置和运行条件下可产生平均流较弱、便于考察速度脉动的局部湍流环境；但水槽边界和近网格流动可能诱导平均运动，其量级与空间分布仍需实测表征。既有单层网格研究给出了均方根速度随振荡频率和冲程变化的经验关系，也表明网格结构、边界、层间距和冲程会影响近网格流场及近似均匀区范围。双层或多层网格可改善单层网格湍流的空间分布，但具体流场特征与装置结构和运行条件密切相关。因此，针对后续泥沙实验所用的双层横向振荡网格装置，仍需结合实际结构和测量条件，定量建立冲程、频率与实测湍流强度之间的关系，并评估所选工作区的空间均匀性和统计特性，分别校准水平与垂直速度脉动分量。

研究人员开展了双层横向振荡网格水槽的PIV实验，在4、6、8 cm三种冲程和1–6 Hz频率范围内形成18种冲程–频率组合，并在沿网格高度布置的三个连续测量窗中获取速度场，选取Window II中心10 cm × 10 cm区域作为流场统计分析与湍流强度标定的工作区。研究分析了平均速度、水平与垂直RMS速度脉动、雷诺剪切应力、时间自相关与积分时间尺度以及无量纲功率谱，建立了该装置中心工作区湍流强度与运行参数之间的经验标定关系，并论证了中心区域平均流近零、弱剪切的基本特征。其意义在于为后续细颗粒泥沙絮凝与沉降实验选择工作区、设置湍流强度以及将装置运行条件映射到水动力控制量提供装置特定的定量依据。

关键技术与方法（不超过250字）：实验采用0.6 m × 0.48 m × 1.2 m玻璃水槽和双层横向振荡网格系统，网格由1 cm × 1 cm不锈钢方管焊接，网格尺寸M = 6 cm，孔隙率65.46%，层间距H = 30 cm，网格边缘与侧壁距离大于2.5M，两层网格由电机传动同步同相水平正弦振荡，S = 4、6、8 cm，f = 1–6 Hz。测量采用PIV系统，532 nm连续激光形成厚度小于2 mm的片光，5–20 μm空心玻璃微球为示踪粒子，CMOS相机名义采集400帧/s，图像间隔2.5 ms，采用多尺度迭代互相关和窗口变形处理，并用中值检验剔除伪矢量。沿网格高度布置三个连续测量窗，统计区为各窗中心(5M/3) × (5M/3)即10 cm × 10 cm。采样包括2帧/s独立采样和400 Hz连续采样，分别用于流场统计与时间相关、谱分析；实验水温20 °C。

研究结果方面，5.1 归一化速度分量分布：在S = 4 cm、f = 2 Hz条件下，水平与垂直速度分量经名义参考速度U_ref = πfS = 0.2513 m/s归一化后，其相对频率分布均近似高斯分布，峰值靠近零并向正、负较大速度方向降低；两分量分布宽度和峰值频率不同，反映其脉动特征存在差异。5.2 网格湍流公式标定：在Window II中心工作区，水平与垂直RMS速度脉动均随组合参数φ = fM^0.5S^1.5H^?1线性增加；通过过原点线性回归分别得到u_rms和w_rms的标定系数为0.5336和0.3123，决定系数分别为R² = 0.9154和R² = 0.9423。水平RMS速度总体大于垂直分量，回归斜率约为纵向分量的1.5–1.7倍。由于二维PIV仅直接测得平面内u、w分量，研究以v_rms = (u_rms² ? w_rms²)^1/2的经验闭合估计离面分量，并据此给出三分量湍流强度量q = 0.4357φ；该经验闭合导致q的模型形式不确定度约为±8.2%。在S = 4 cm、f = 1 Hz条件下重复性分析给出水平与垂直RMS速度均值的标准不确定度分别为9.25 × 10^?4和4.10 × 10^?4 m/s，相对值为9.30%和6.33%。5.3 中心工作区平均流特征：三个测量窗中心区域的水平与垂直平均速度总体较小，Window II中心区域两分量在所研究工况下均接近零，因此中心10 cm × 10 cm区域被选为流场统计分析与湍流强度标定的工作区；该区域水平与垂直RMS速度脉动幅值不同，表现为弱平均运动伴随方向性脉动差异。5.4 测量平面内雷诺剪切应力特征：在f = 2 Hz、S = 4 cm条件下，三个采样窗内归一化雷诺剪切应力总体接近零，并存在局部正负变化；该统计量描述平面内两速度脉动分量的跨分量相关，与分别表征各方向脉动幅值的RMS速度互补。结合RMS结果，中心工作区水平脉动强于垂直脉动，而雷诺剪切应力接近零，为分别表征两分量湍流强度及其随运行参数变化提供依据。5.5 中心测量区速度脉动的时间相关特征：基于Window II中心工作区速度时间序列计算水平与垂直速度脉动的自相关函数，二者在短时间滞后下快速下降并随后出现不同幅度波动，表明实测速度脉动具有有限时间相关性；以自相关函数首次过零点作为积分上限，得到所分析工况下水平速度脉动的积分时间尺度约为0.846 s，表征其时间持续性。5.6 速度脉动谱特征：利用三个测量窗中心点的连续速度记录估计单边功率谱密度，并以F/f和相应无量纲形式表示频率与谱密度。谱水平在较低无量纲频率处较高并总体随频率增加而降低，同时叠加若干窄带峰；三个窗口总体趋势相似，但低频水平及单个峰的量值和位置存在差异。由于窄带特征可能源于周期性网格强迫或测量系统响应，仅凭现有谱不能归因于特定机制；谱分析从频域补充表征了不同测量位置处速度脉动的频率分布。

讨论部分总结：该研究围绕双层横向振荡网格中心工作区建立了装置运行参数与实测湍流强度之间的直接定量联系，并分别给出水平与垂直RMS速度脉动的标定关系；水平脉动强度高于垂直分量，反映测量平面内速度脉动的方向依赖。离面分量及三分量湍流强度量依赖经验闭合，因此研究者对其模型形式不确定度进行了敏感性评估，得到约±8.2%的估计；该不确定性与直接测量的u_rms、w_rms重复性不确定度相区分。中心区域平均速度近零、雷诺剪切应力接近零而水平与垂直脉动幅值不同，说明该区域适合作为受控湍流条件下流场统计与湍流强度标定的工作区。研究还给出水平速度脉动积分时间尺度和不同测量位置的无量纲谱特征，为后续将装置运行条件映射到湍流耗散率（ε）、剪切速率（G）和Kolmogorov尺度等水动力控制量，以及开展下塔里木河细颗粒泥沙絮凝与沉降实验提供参考。

研究结论翻译：（1）该研究获得的中心工作区流场特征和标定湍流强度关系，为后续在下塔里木河受控湍流条件下开展细颗粒泥沙絮凝与沉降室内实验时选择工作区和设置运行参数提供了依据。对于网格尺寸M = 6 cm、层间距H = 30 cm的双层横向振荡网格水槽系统，在S = 4、6、8 cm和f = 1–6 Hz下的PIV测量表明，两层网格中间区域的平均速度总体接近于零，满足振荡网格湍流“零平均流”和弱剪切的基本特征。（2）标定公式方面，中心区域湍流强度与组合振荡参数呈稳定线性关系，可用于推断运行条件。采用组合变量φ = fM^0.5S^1.5/H，建立了网格运行参数与Window II中心工作区水平、垂直RMS速度脉动之间的经验标定关系；两分量均随组合变量增加，其标定系数分别表征速度脉动对运行条件的方向响应。水平与垂直RMS速度脉动的标定系数不同，反映中心工作区两个实测速度分量具有不同脉动强度。分别建立的经验关系描述了相应速度分量对网格运行参数变化的响应，为湍流强度控制和实验运行条件提供指导。在该研究考察的装置参数和运行条件范围内（M = 6 cm、H = 30 cm、S = 4、6、8 cm、f = 1–6 Hz），中心区域直接标定的u_rms和w_rms关系以及经验估计的v_rms关系可用于估计相应分量；相应的三分量湍流强度量估计为q = 0.4357φ。v_rms和q表达式依赖经验闭合，敏感性分析给出的q模型形式不确定度在测试运行范围内约为±8.2%。（3）时间相关与谱特征方面，基于Window II中心工作区速度脉动的时间自相关函数，所分析工况下水平速度脉动的积分时间尺度约为0.846 s。三个测量窗中心点获得的无量纲谱显示，谱密度总体随归一化频率增加而降低，并存在局部窄带峰；不同测量位置谱分布的差异补充表征了双层振荡网格所产生局部流场的时间相关和频率内容。（4）在泥沙絮凝与沉降应用方面，该装置为在受控湍流条件下开展絮凝参数化研究提供了平台。中心区域湍流强度标定公式以及该研究获得的积分尺度和谱特征，为后续将装置运行条件映射到ε、G和Kolmogorov尺度等水动力控制量，并开展下塔里木河细颗粒泥沙絮凝与沉降实验及影响因素分析提供了基础。