粗糙床面对湍流圆形壁射流发展特性影响的实验研究

《Scientific Reports》：Dynamics of turbulent circular wall jets over smooth and rough beds: an experimental analysis

　　本实验研究考察了沿光滑床面和三种不同粗糙床面发展的湍流圆形壁射流动力学特性。采用声学多普勒测速仪对瞬时流场进行测量。光滑床面上的圆形壁射流速度统计结果与已有研究报道一致，从而证实了测量的可靠性与准确性。结果表明，对于光滑和粗糙床面，平均轴向速度剖面在垂向和横向平面内均呈现自相似性。然而，床面粗糙度显著改变了射流的发展过程。粗糙度增加会降低最大平均轴向速度，并加快其向下游衰减的速度，这反映了由于床面摩擦和湍流产生增强所导致的动量损失加剧。粗糙度还促进了垂向动量再分配，导致垂向扩散速率线性增加，同时轻微抑制了横向扩散。具体而言，床面粗糙度加倍会使垂向扩散速率增加约15%。由粗糙度产生的近壁面湍流增强使得最大平均速度位置远离床面，内层变厚，并推迟了平均速度的自相似性出现。在有粗糙床面存在时，速度均方根值减小。随着射流向下游发展，粗糙度的影响逐渐减弱，速度均方根值趋近于自相似。同样地，床面粗糙度降低了雷诺剪应力的峰值并拓宽了其空间分布，反映了湍流输运增强加速了动量耗散。频谱分析进一步表明，粗糙床面上的能量水平降低，但仍保持惯性子区标度律。总体而言，研究结果表明，床面粗糙度主要影响射流发展的早期阶段，随着流场趋近自相似，其向下游的影响逐渐减小。