湍流实验

测定湍流参数，研究湍流现象和运动规律的实验技术，是湍流研究和提供应用结果的非常重要的手段。湍流实验方法主要有：①流动观察；②湍流测量。

流动观察  这是直接获得湍流的各种流动图案和大尺度涡旋的形成、发展和衰变过程的直观方法。通常观察气流可以用纹影法和干涉法光学技术(见风洞测试仪器)，也可以用烟迹法；观察液体可以用染色法和氢气泡技术。近年来又发展了激光干涉与全息等技术。虽然流动观察是古老而又简单的实验技术，但近年来在湍流结构上的不少重要发现主要是用此方法得到的。例如二维混合层流动中的布朗－罗什科大尺度涡旋结构及其合并过程(图1)，湍流边界层底层内的湍斑流动及其猝发过程(图2)，就是从实验上首先观察到的。

图1二维混合层流动中的不朗-罗什科夫尺度涡旋结构

图2湍流边界层底层内的湍斑流动

湍流测量  测量对象为均匀各向同性湍流和剪切湍流。均匀各向同性湍流是最简单的一种湍流 (见湍流理论)。它一般可在风洞的网格后形成。对这种湍流的实验研究通常是测量在统计上有意义的各脉动参量(如速度、密度、压力和温度)的方均根值、湍能及其衰变、湍流微尺度、空间二点上的相关函数和一点的时间自相关函数以及对应于这些相关函数的自谱和互谱，此外还有湍流的偏斜因子和平坦因子等。上述这些参量可以用电模拟方法测量，也可以用电子计算机的随机数据处理法测量。对于均匀各向同性湍流中的五阶以上的矩，以及各流动参量的脉动值的概率密度分布等，则一般需要由电子计算机的随机数据处理方法来测量。

剪切湍流要比均匀各向同性湍流复杂得多。这是由于湍流流动的非均匀性和非各向同性引起的。但测量剪切湍流并不比测量均匀各向同性湍流复杂。剪切湍流的实验测量，除了上述均匀各向同性湍流中测量的那些参量外，一个最重要的参量是雷诺应力。此外还有涡粘性系数、湍流与非湍流交界面上的间歇因子以及湍流边界层中湍斑的结构参数、猝发因子等。这些测量一般是利用条件采样技术和电子计算机来处理数据。

湍流实验测量技术原则上都是由感受部分和数据处理部分组成的。用于湍流实验的感受部分的传感元件有压电元件、热敏元件、热丝和热膜、等离子束和激光束等。但迄今用得最广泛的还是热丝探头。它是一条长度远大于直径的细铂丝或钨丝，其直径一般在1～5微米之间。测量原理是把热丝置于待测流体介质中，用电加热热丝，使其温度高于流体介质温度。由热丝与流体之间的热传递的变化引起热丝两端的电压发生变化，从而可以测量流速的平均值和脉动值。近年来又把激光技术应用到湍流测量中。它的测量原理是利用多普勒效应，即利用流体中悬浮粒子的运动，使散射光频率产生偏移，由测出的频率偏移量可算出流体运动速度。因为这种方法能实现流场的非接触测量，惯性又极小，所以很引人注目。但目前用此法测量湍流还有不少技术上的难点(例如粒子的跟随性)，需要进一步克服。

用于湍流实验数据处理的方法，有电模拟法和电子计算机数字处理法。所谓电模拟法是把传感器获得的湍流脉动电信号，用电模拟加工成所需要的各种湍流参量。这种处理方法精度低，通用性差，制造发展仪器也相当困难。所谓湍流的随机数据的采样技术，是按照规定条件，把湍流内连续的随机信号变换为离散的数字信号，并采集纪录下来，然后用快速傅里叶变换(FFT)，快速相关或快速卷积等算法，在电子计算机中加工成湍流的谱、相关函数、概率密度等等。

研究现状  当前，湍流工作者结合对流动图案的观察，利用上述采样技术，进行了大量的湍流实验研究，取得了可喜的成果，有些结果根本上改变了一些传统的湍流观点。如湍流的局部各向同性柯尔莫戈罗夫理论认为，涡旋能量的传递是从大涡旋向小涡旋输运，最后耗散为热，而运动方程则以长时间平均的雷诺方程来代替纳维-斯托克斯方程。但近年来的实验研究表明，这种理论上的平均和实验上的长时间的统计平均测量，都是以牺牲湍流信息中的所有相位数据为代价的。现在发现，这些相位数据可能是湍流中很重要的信息。剪切湍流中的各种拟序结构，是不允许在长时间的统计平均下舍弃的。实验还发现，在某些条件下，不稳定性的平面涡层能迅速地结合成拟序的大尺度涡旋结构，与上述传统的传递能量的概念恰恰相反，这是典型的小涡旋向大涡旋传递能量的例子。此外还发现，剪切湍流内的不稳定性波的发展和失稳可能与涡旋结构有某种关系。人们希望通过湍流实验研究，能在不久的将来揭示出湍流现象的一些机制，从而对全面认识和解决湍流这个难题向前跨进一步。

参考书目 Wei Zhong-Lei，Niu Zhen-Nan and Ma Wen-Jiu，TheDisturbances Affect Brown-Roshko Structures in Plane Mixing Layer，Structure of Complex Turbulent Shear Flow， IUTAM Symposium Marseille，1982，pp.1～145，Springer-Verlag，1983. Lian Qixiang，Observations on Structures ofTurbulent Boundary Layer in a Flow with Strong Adverse Pressure Gradiant， Proceedings of Second Asian Congress of Fluid Mechanics，pp.70～77，Science Press，Beijing，China，1983.