3D拉格朗日粒子追踪测速

2023/04/10   下载量： 1 次

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应用领域 航空航天
检测样本 航空
检测项目
参考标准 无

在过去几十年中，已经发展出了多种基于粒子图像的体积流场测量技术，这些技术已经在流体力学的各种实验应用中展示了它们量化评估非定常流动性质的潜力。在这篇综述中，我们专注于3D基于粒子的测量的物理特性和环境，以及可以用于提高重建精度、空间和时间分辨率以及完整性的知识。我们关注的自然候选者是3D拉格朗日粒子跟踪（LPT），它允许在所研究的体积中确定位置、速度和加速度以及大量单个粒子轨迹。过去十年中，密集的3D LPT技术“Shake-The-Box”的出现开辟了更多的可能性，通过提供用于使用Navier-Stokes约束的强大数据同化技术的输入数据来表征非定常流动。因此，可以获得高分辨率的拉格朗日和欧拉数据，包括嵌入时间分辨的3D速度和压力场中的长粒子轨迹。

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拉格朗日粒子跟踪（LPT）是一种体积流量测量技术，能够在长时间内跟踪大量示踪粒子，即使在高度湍流的情况下也能做到。在本介绍中，我们从物理上说明这些技术及其相关性的重要性，介绍其一般原理，概述其历史发展，并描述了后处理方面的最新进展。这些主题的深入讨论在第2至4节中提供。我们在日常生活中遇到的大多数流动都是非定常、湍流和三维的。在自然界、空气动力学和许多相关的技术应用中达到的雷诺数通常远高于湍流发生的临界值。人类从字面上说是沉浸在非定常的流体流动现象中，从我们的血管和呼吸道中到各种交通工具内部和周围的流动、海洋中的洋流、大气湍流边界层（TBLs）以及封闭房间内的混合热对流。为了在各种应用和情况下充分利用流体流动，需要详细了解它们的拉格朗日和欧拉特性。湍流流动的主要特征是其动态能量转移机制，从大流动尺度向越来越小的（旋涡）流动尺度级联到耗散（Richardson 1922），并且随着雷诺数的增加而增加空间和时间尺度的分离，例如L/η ∼ Re3/4λ和TL/τη ∼ Re1/2λ（Toschi和Bodenschatz 2009；另请参见名为“湍流流动尺度”的侧栏）。根据局部速度梯度张量（VGT）（Chong等，1990），湍流流动结构可以定义为3D拓扑，即稳定或不稳定的鞍点或稳定或不稳定的节点，其在时间上改变形状和方向，同时随着整个流体流动（向下游）传导。另一方面，流动及其相干结构本身可以被理解和描述为几乎无限数量的流体元素的动态组成，这些元素沿着拉格朗日轨迹与局部流一起移动，并通过压力梯度和黏度与相邻元素耦合。在拉格朗日参考系中，这些流体元素正在进入和退出更持久的欧拉相干流结构，从而使它们保持活跃或导致它们的最终衰减。因此，流动拓扑可以在欧拉参考系（例如，通过VGT的Q和R不变量描述不可压缩流动），或者从拉格朗日视角作为与流体元素一起移动的拉格朗日相干结构（LCS）（Haller 2015）来定义。尽管如此，两个参考系都允许描述相同的流动，因为每个时间步长的拉格朗日和欧拉速度向量是相同的。

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北京欧兰科技发展有限公司
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