This experiment has been carried out to find the structure of turbulent boundary layer with instantaneous velocity fields obtained in stream-wall-normal planes using a stereo-PIV (Particle Image Velocimetry) method. And it has been measured perpendicular plane and horizontal plane with hairpin vortex structure by Reynolds number change and made third dimension shape for section of horizontal plane through stereo-PIV. In the outer layer hairpin vortices occur in streamwise-aligned packets that propagate with small velocity dispersion. A streaky structure is composed of counter-rotating vortex. According as y+ increases, streaky structure's interval space decrease, and it shows that hairpin shape of prior research is vertified. The objective of the present research is to gain a better understanding of coherent structures in the outer of wall turbulence by experimentally examining coherent structures.
Experimental study on the three-dimensional topology of hairpin packet structures in turbulent boundary layers were carried out. Two different Reynolds number based on momentum thickness, Re$\sub$$\theta$/=514 and 934 were generated in a blowing type wind tunnel under the condition of zero pressure gradient. Simultaneous measurements of velocity fields at a wall-normal plane and wall-parallel plane by a plane PIV and a Stereo-PIV systems. The two Nd:Yag laser systems and three CCD cameras were synchronized to obtain instantaneous velocity fields at the same time. To avoid optical noise at the crossing line by the two laser light sheets, a new optical arrangement using polarization was applied. The obtained velocity fields show the existence of hairpin packet structure vividly and the idealized hairpin vortex signature is confirmed by experiment. Two counter-rotating vortex pair which reflects the cutting plane of hairpin legs are found both side of a strong streaky structure when the wall-normal plane cuts the hairpin head.
Vortical structures in the near-wake region of a cubic obstacle are studied using numerical simulation. We consider flow between two parallel plates with a cube mounted on one of the plates. In the turbulent near-wake region of the flow, coherent structures such as hairpin vortices are found. Quasi-periodic behavior of the hairpin vortices is noticed; its dimensionless frequency at Re=1,000 is about 0.82 which is consistent with the result of Elavarasan of et al.'s experiment [Fluid Dyn. Research, 2000, 27] although their geometry is somewhat different from on. In the case of Re=3,500, the dimensionless frequency of the hairpin vortex is about 1.60. It is observed that the translating speed of the head of the hairpin vortex is lower than the streamwise mean velocity at that location. In the vicinity of the lower plate downstream of the cube, various length scales are identified thus less coherent. However, it is noticed that the vortical structures become gradually elongated downstream of the new reattachment.
A new PIV technique was developed for decreasing optical error which was created during simultaneous measurements of velocity fields at a wall-normal plane and wall-parallel plane by a plane PIV and a Stereoscopic PIV system. The two Nd:Yag laser systems and three CCD cameras were. synchronized to obtain instantaneous velocity fields at the same time. To avoid optical noise at the crossing line by the two laser light sheets, a new optical arrangement using polarization was applied. The obtained velocity fields show the existence of hairpin packet structure vividly and the idealized hairpin vortex signature is confirmed by experiment.
A new PIV technique was developed for decreasing optical error which was created during simultaneous measurements of velocity fields at a wall-normal plane and wall-parallel plane by a plane PIV and a Stereo-PIV systems. For experimental study, two different Reynolds number based on momentum thickness, Re$_{ =514 and 934 were generated in a blowing type wind tunnel under the condition of zero pressure gradient. The two Nd:Yag laser systems and three CCD cameras were synchronized. to obtain instantaneous velocity fields at the same time. To avoid optical noise at the crossing line by the two laser light sheets, a new optical arrangement using polarization was applied. The obtained velocity fields show the existence of hairpin packet structure vividly and the idealized hairpin vortex signature is confirmed by experiment.
The effect of pressure gradients on the hairpin structures in three different turbulent boundary layers (ZPG : Re(sub)$\theta$=910, FPG : Re(sub)$\theta$=575, APG : Re(sub)$\theta$=1290) has been examined with instantaneous velocity fields obtained in streamwise-wall-normal planes using PIV (particle image velocimetry) method. In the outer layer hairpin vortices occur in streamwise-aligned packets that propagate with small velocity dispersion. The signature pattern of the hairpin consists of a spanwise vortex core located above a region of strong second quadrant fluctuation (u<0 and v>0 : Q2 event) is clearly observed. The formation of packets explains the occurrence of multiple VITA events in turbulent burst. Noticeable differences are found in the average inclination angles of hairpin vortex packets which are 45$^{\circ}$, 35.7$^{\circ}$, and 51.9$^{\circ}$in the case of ZPG, FPG and APG, respectively. It is found that the large, time-varying, irregularly shaped zones with nearly constant streamwise momentum exist throughout the boundary layer. Within the interior of the envelope the spatial coherence between the velocity fields induced by the individual vortices leads to strongly retarded streamwise momentum, explaining the zones of uniform momentum. The formation of the uniform momentum zone is remarkably different with respect to the pressure gradients especially in the logarithmic layer.
Direct numerical simulation was carried out to study the vortical structures of the flow around a wall-mounted cube in a channel at Re=1,000 and Re=3,500 based on cubic height and bulk mean velocity. The cubic obstacle is situated in the entrance region of the channel flow where the boundary layers are developing. Upstream of the obstacle, steady and unsteady laminar horseshoe vortex systems are observed at Re=1,000 and Re=3,500, respectively; the near-wake flow is turbulent in both cases. The flow separates at each leading sharp edge of the cube, and subsequent vortex roll-up is noticed in the corresponding free-shear layer. The vortex shedding from the upper leading edge (upper vortices) and that from the two lateral leading edges (lateral vortices) are both quasi-periodic and their frequencies are computed. The upper and lateral vortices further develop into hairpin and Λ vortices, respectively. A series of instantaneous contours of the second invariant of velocity gradient tensor helps us identify spatial and temporal behaviors of the vortices in detail. The results indicate that the length and time scales of the vortical structures at Re=3,500 are much shorter than those at Re:1,000. Correlations between the upper and lateral vortices are also reported.
Recent studies of the structure of wall turbulence have lead to the development of a conceptual model that validates and integrates many elements of previous models into a relatively simple picture based on self-assembling packets of hairpin vortex eddies. By continual spawning new hairpins the packets grow longer in the streamwise direction, and by mutual induction between adjacent hairpins the hairpins are strained so that they grow taller and wider as they age. The result is a characteristic growth angle in the streamwise-wall normal plane. The spanwise growth of individual packets implies that packets must either merge or pass through each other when they come into contact. Direct numerical simulations of the growth and interaction of spanwise adjacent hairpins shows that they merge by the vortex connection mechanism originally proposed by Wark and Nagib (199). In this mechanism the quasi-streamwise legs of two hairpins annihilate each other, by virtue of having opposite vorticity, leaving a new hairpin of approximately double the width of the individuals. PIV measurements in planes parallel to the wall support this picture. DNS of multiple hairpins shows how the spanwise scale doubles when the hairpins form an array.
본 연구에서는 조건와류를 추출하려면 우선 속도상관관계를 알아야 하는데, 이를 위하여 실험적 데이타와 이론적 모델을 모두 적용하였다. 전자는 Van Atta와 Chen의 그리드 난류에서의 등방성에 가까운 속도상관관계 데이터를 취하여 이용하였으 며, 후자는 Driscoll과 Kennedy의 난류에너지 스펙트럼 모델을 해석하여 적용하였다. 이 이론적 모델은 레이놀즈수를 변화시킬 수 있는 장점이 있으며, 특히 벽면근처에서 의 와동구조해석을 위해서는 레이놀즈수가 작은 조건와류가 필요하다. 조건와류의 반지모양의 와동은 이방성분포인 평균전단유동에 중첩되어 전체 와동장을 구성하는데, 난류유동의 vortex stretching과정에서 중요한 역할을 하는 머리핀 와동(hairpin vor- tex)과 비슷한 구조를 이 전체 와동에서 구할 수 있다. 이는 조건와류의 와동장의 크기와 평균전단에 의한 평균 와동장의 상호크기에 따라 결정되는데, 실제 난류유동장 에서 난류전달과 레이놀즈 응력과 밀접한 관계가 있다.
Laminar flow over a cube near a plane wall is numerically investigated in order to understand the effects of the cube-wall gap on the flow characteristics as well as the drag and lift coefficients. The main focus is placed on the three-dimensional vortical structures and its relation to the lift force applied on the cube. Numerical simulations are performed for the Reynolds numbers between 100 and 300, covering several different flow regimes. Without a wall nearby, the flow at Re=100 is planar symmetric with no vortical structure in the wake. However, when the wall is located close to the cube, a pair of streamwise vortices is induced behind the cube. At Re=250, the wall strengthens the existing streamwise vortices and elongates them in the streamwise direction. As a result, the lift coefficients at Re=100 and 250 increase as the cube-wall gap decreases. On the other hand, without a wall, vortex shedding takes place at Re=300 in the form of a hairpin vortex whose strength changes in time. The head of hairpin vortex or loop vortex, which is closely related to the lift force, seems to disappear due to the nearby wall. Therefore, unlike at Re=100 and 250, the lift coefficient tends to decrease more or less as the cube approaches the wall.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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