用于湍流两点统计的纤维追踪测速法

我们提出并验证了一种测量湍流两点统计的新型实验技术。该方法将刚性纤维散布于流场中并追踪其随时间的位姿，因此被命名为“纤维追踪测速法”（FTV）。通过选择不同纤维长度（即在惯性或耗散尺度范围内），只需测量纤维两端的速度并将其投影到垂直于纤维的方向，即可准确探测所选尺度下湍流涨落的统计特性。借助完全解析的直接数值模拟与实验，我们表明这些基于纤维的横向速度增量在统计上等价于（未受扰动的）流场横向速度增量。此外，我们证明利用足够短的纤维可准确测量湍流动能耗散率。该技术已针对流场示踪粒子的标准粒子追踪测速法（PTV）进行测试，结果高度一致。我们的技术克服了 PTV 因湍流中快速相对扩散导致粒子间距离无法在感兴趣尺度上保持恒定而难以可靠探测两点统计的著名问题。这一问题使得固定间距下的统计难以收敛，在开放域自然流中更为严重。一个突出例子是海洋流，其中漂流浮标（即现场测量所用的示踪粒子对应物）迅速分散，同时其数量须受限以节省成本。受实验室实验启发，我们提出将成对连接的漂流浮标作为解决该问题的可行方案。