中试规模水力旋流分离器中湍流流动的时间分辨 PIV 测量与模态分析

有效的水力处理基础设施对于减轻径流对城市水环境的不利影响至关重要。然而，由于复杂的湍流流动，设计经济高效的处理系统颇具挑战。本研究利用时间分辨、高分辨率的粒子图像测速（PIV）技术和模态分解方法，对水力旋流分离器（HS）中的湍流流动进行了深入分析。研究了 PIV 测量中 interrogation window 尺寸的影响，凸显了空间分辨率与测量不确定性之间的权衡。此外，量化了采样频率和持续时间对湍流统计量（如平均流和雷诺应力）收敛性的影响。结果表明，高阶统计量需要更大的采样量（5 倍）才能达到与平均流统计量相同的统计收敛水平。利用本征正交分解（POD）和谱本征正交分解（SPOD），识别了主要的湍流结构和相干流动特征，为降阶模型（ROM）的开发奠定了基础。这些 ROM 展示了更高的计算效率，并具有实时控制应用和集成到更大规模排水系统模拟中的潜力。此外，本研究的结果为 HS 系统建立了一个高质量的开源湍流流动数据库，为土木与环境工程领域提供了宝贵的资源，以支持计算流体力学（CFD）工具的开发和应用。这项研究朝着实现科学指导 HS 设计和优化的最终目标迈出了关键一步。