高雷诺数深腔流中的多平面湍流结构及瞬时速度极值

《Journal of Fluid Mechanics》：Multi-plane turbulence structures and instantaneous velocity extremes in high-Reynolds-number deep cavity flow

　　

摘要

关于高雷诺数深腔流中局部极端速度和非稳态特性的系统实验数据仍然有限。在这项研究中，采用了双组分粒子图像测速（PIV）技术来探讨一个由来流驱动的深腔的流动特性，其中雷诺数（Re）为 2.55 × 10^5，长宽比（L/D）为 1/3。在三个流向平面（z/W = 0.10、0.25、0.50）和三个横向平面（x/L = 0.10、0.25、0.50）上系统地测量了流场参数。分析内容包括时间平均速度、均方根速度波动、平面内的湍流动能（TKE）、瞬时最大速度以及偏度和峰度等高阶统计量。结果显示：在中间流向平面（z/W = 0.25）上，垂直速度波动的峰值达到 v rms/U lid ≈ 0.072（其中 U lid 为腔体上方的特征来流速度），表明该平面上的局部垂直非稳态响应最为强烈。在靠近壁面的平面（z/W = 0.10）上，瞬时最大速度的偏度为 1.23、峰度为 7.47，反映出显著的局部间歇性极端事件；而中间平面（z/W = 0.50）上的极端事件较为柔和，更接近高斯分布。横向平面也表现出明显的非高斯特性，高波动性和高的平面内湍流动能主要集中于剪切层与再循环结构相互作用的区域，揭示了流动中的显著空间各向异性。这些结果表明，剪切层的形成、主再循环过程、侧壁限制以及下游流动的转向共同调节了局部极端事件和间歇性速度波动。本研究利用多平面 PIV 技术对高雷诺数深腔中的空间非均匀性和极端事件特性进行了系统的实验量化，为湍流模型验证和复杂腔流控制提供了有用的实验参考。

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