Statistical and Temporal Characterization of Turbulent Rayleigh-Bénard Convection Boundary Layers Using Time-Resolved PIV Measurements
Statistical and Temporal Characterization of Turbulent Rayleigh-Bénard Convection Boundary Layers Using Time-Resolved PIV Measurements
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使用时间分辨 PIV 测量对湍流 Rayleigh-Bénard 对流边界层进行统计和时间表征
DOI：
10.1007/978-3-319-20388-1_28
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发表时间：
2016
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
C. Resagk
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
C. E. Willert;R. du Puits;C. Resagk
本文报道了在固定普朗特数和瑞利数下，空气中湍流瑞利-贝纳德对流（RBC）的近壁流场测量结果。在实验中，大尺度对流（LSC）被限制在一个由透明丙烯酸片制成的矩形盒子中。先前的视频图形可视化的底部边界层流动的激光片照明的小颗粒的装置表明，在经典的稳定性分析预测仍然是在层流状态下的流动条件下的高度动态的流动行为的存在。虽然理论预测在雷诺数下会转变为湍流，但本研究显示，在基于边界层厚度的低得多的雷诺数下会出现高度非定常流动。在PIV数据的帮助下，可以证明，湍流结构从平均风夹带到边界层中，与由于内部剪切引起的不稳定一起，作为其湍流路径上的第二种机制。这两个贡献必须考虑到预测的临界边界走向最终regimeof热对流。测量依赖于获取长的、连续的粒子图像测速（PIV）数据序列，从中可以检索到统计和光谱信息。与PIV技术的常规实现相反，视场被限制为通常在壁法线方向上延伸的窄条。以这种方式，所采用的高速相机的获取频率和图像总数都成比例地增加。时间过采样数据允许使用多帧PIV处理算法，该算法相对于标准双帧分析降低了测量不确定性。
This contribution reports on near-wall flow field measurements in turbulent Rayleigh-Bénard convection (RBC) in air at a fixed Prandtl numberand Rayleigh number. For the experiment, the large-scale convection (LSC) was confined to a rectangular box ofmade of transparent acrylic sheets. Prior video-graphic visualizations of the bottom boundary layer flow by means of laser light sheet illumination of small particles indicated the presence of highly dynamic flow behaviour at flow conditions that classical stability analysis predicts to still be in the laminar regime. While theory predicts a transition to turbulence at Reynolds numbers, the present investigation exhibits highly unsteady flow at a much lower Reynolds number ofbased on boundary layer thickness. With the help of the PIV data, it can be demonstrated that the entrainment of turbulent structures from the mean wind into the boundary layer acts, alongside with the destabilization due to inner shear, as a second mechanism on its path to turbulence. Both contributions must be considered when predicting the critical bound towards theultimate regimeof thermal convection. The measurements rely on the acquisition of long, continuous sequences of particle image velocimetry (PIV) data from which both statistical and spectral information can be retrieved. Contrary to conventional implementation of the PIV technique the field of view is restricted to a narrow strip, generally extending in wall-normal direction. In this way, both the acquisition frequency and the total number images of the employed high-speed camera are proportionally increased. The temporally oversampled data allows the use of multi-frame PIV processing algorithms which reduce measurement uncertainties with respect to standard dual-frame analysis.
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