1. 研究目的与意义（文献综述）

党的十八大以来，我国交通运输事业的发展进入了现代化综合运输体系建设的新阶段。作为普及度最高、发展规模最大的陆运运输，也取得了长足发展与进步。首先，以高速铁路为骨架、以城际铁路为补充的多层次快速客运网络初步建成。全国铁路营业总里程达12.4万公里，规模居世界第二；其中高速铁路近五年来新增1.6万公里，总里程达2.2万公里，位居世界第一，占世界高速铁路运营总里程60%以上^[1]。“四纵四横”高铁网基本成型，成为世界上唯一高铁成网运行的国家。其次，广覆盖的公路运输网络体系更加成熟。全国公路通车总里程达470万公里，高速公路通车里程达13.1万公里，位居世界第一^[1]。国省干线网络的建设也不断完善，连接了全国所有县级及以上行政区，等级公路里程占全国公路总里程的90%^[1]。

放眼未来陆运运输事业的发展，要全面建成安全、便捷、高效、绿色的现代陆运运输体系。铁路运输方面，我国高速铁路将构建横贯东西、纵贯南北、更加密集的“八纵八横”高铁主通道^{[2]- [3]}。到2025年，我国铁路网规模将达17.5万公里左右，其中高铁3.8万公里左右^[1]。到2030年，基本实现内外互联互通、区际多路畅通、省会高铁连通、地市快速通达、县域基本覆盖^{[2]- [3]}。公路运输方面，将加快完善高速公路建设的步伐，有序发展地方高速公路，加强高速公路与口岸的衔接，使公路运输为国民经济的发展贡献更多力量。

“节能减排”和“安全高效”是我国各类交通运输发展规划必备的原则和指导思想。当今世界能源形势危急，化石燃料储量满足不了经济全球化快速发展的需要。能源需求的日益增多与能源短缺之间的矛盾成为人类所面临的共同挑战。与此同时全球污染问题日益严重，如何减少道路污染物的排放及其危害也成为人们所关注的焦点。基于以上实情，交通运输部出台多项文件倡导节能低碳发展，推动资源节约集约利用^[4]。由于陆运运输消耗的能源总量巨大，因此如何挖掘陆运运输的技术节能潜力，提升技术性节能减排也成为多方研究的焦点。此外“安全高效”的要求也不容忽视。快捷的陆运运输在带给我们便捷的同时，也给我们的生活埋下了潜在的安全隐患。近年来发生的几起高铁技术性事故触目惊心，公路运输的技术性事故也应引起我们的重视。及时发现和解决潜在的技术性安全问题，保障陆运运输安全高效地运行，也成为相关研究的热点。

2. 研究的基本内容与方案

1．

2.1 壁湍流的概念与基本结构

英国科学家雷诺于1883年通过著名的圆管实验深入揭示了两种不同的粘性流动形态——层流和湍流。湍流出现在雷诺数较大、惯性力对流场的影响大于黏滞力时，是区别于层流的一种很不规则的流动现象，也是工程实践中最常见的流动形态。湍流流动十分复杂，虽然一百多年来对其研究不断深入，但至今它的基本机理也没有被刻画清楚，更没有一个准确的定义。

J.O.Hinze在他的著作Turbulence中把湍流定义为“流动的一种不规则情形，其流动的物理量随着时间和空间坐标的改变而呈现出随机的变化，因而具有明确的统计平均值”^[5]。同时，他还将前人提到的两种湍流流动状况给予了专门的名称，即“自由湍流”和“壁湍流”。其中，“壁湍流”被定义为“流过或流近固体壁面的湍流”^[5]。

湍流伴随着流体质点的强烈混合，杂乱无章地在各个方向上以大小不同的速度运动，但其总的或平均的运动是向前的^{[6]- [7]}。湍流中各个位置的流体质点除了主流方向上的运动以外，还附加有各个方向上的不规则运动，每一点的速度随时间和空间的改变发生随机变化^[6]。湍流的不规则性还表现在它的不重复性，即保持所有条件不变的情况下重复之前所做的雷诺实验，则在同一空间点上的速度时间序列是不重复的，结果没有重复性^[7]。总之湍流速度场是时间坐标t、空间坐标x和实验次数ω的不规则函数。

湍流流动是一种大雷诺数、非线性、三维非定常流动。现代湍流理论认为，湍流是由各种不同尺度的涡构成的，大涡的作用是从平均流动中获得能量，是湍流的生成因素^{[6]- [8]}。但这种大涡是不稳定的，它不断地破碎成小涡。也就说从低频的大涡到高频的小涡是一个能量集聚的过程，这个过程一直进行到湍流动能的耗散为止。如果没有连续的外部能量的提供，湍流将逐渐衰退消失。湍流流动中每一个涡体都经历着形成、发展和消亡三个阶段,然而在总流中同时存在无数个涡体，所有涡体所构成的宏观集合在宏观行为上处于动平衡状态，其总体行为不随时间变化，因而描述湍流流动的物理量具有统计意义上的确定性^[7]。

为了方便研究湍流的基本特性，又将湍流分为均匀湍流、各向同性湍流和各向异性湍流^[8]。其中均匀湍流和各向同性湍流是湍流中最简单并且在理论上研究最多的。所谓均匀湍流是指湍流流场中任何一点同一方向的速度分量的均方值处处都是相等的。各向同性湍流是指湍流的湍动速度分量及其对空间导数的平均值不受坐标系在空间的方位而改变^{[7]- [8]}。实际的湍流一般都是非各向同性的，这是由于尺度大的湍动运动的速度受到平均运动流场的影响。但对于尺度很小的湍动运动，湍动的特性不直接依赖于平均运动流场的性质，因而具有各向同性的特征。因此研究这种局部各向同性的湍流具有重要的理论和实际意义^{[7]- [8]。}

2.2 2.2壁湍流的研究现状

自1975年J.O.Hinze在其著作Turbulence一书中首次提出了“壁湍流”的概念以来，人们对壁湍流的认识还是停留在实验和模拟的阶段，在理论上的研究还没有重大突破。这其中主要的原因是没有办法准确地描述和求解湍流的流场。而且很多关于湍流流场的假设与实验验证的相符度不高，因此就要求能够测量湍流常数，以便为理论研究提供可靠的实验数据。

在对壁湍流壁面类型的研究中，我国学者苑明顺将粗糙体凸出壁面的特征高度定义为“绝对粗糙度”，通过描述其与层流底层厚度的相对关系，将壁湍流的壁面类型分为水力光滑壁面、水力粗糙壁面和过渡粗糙壁面^[8]。李玉柱、苑明顺发现当距离边壁足够远时，雷诺数增至临界值11.6时，将发生层流向湍流的转捩^{[8]- [9]}。Mamsic和Adrian则根据近壁区的局部雷诺数的大小将壁湍流的壁面类型更细致地划分为黏性起重要作用的近壁区（雷诺数小于50）和黏性作用可略的外区（雷诺数小于50）。当雷诺数介于50和0.15δ^＋时，平均速度满足对数率，将该区称为对数区；当雷诺数大于0.15δ^＋时将该区域称为尾迹区，通常采用速度亏损律来刻画其平均速度分布^[10]。

在对壁湍流摩擦的研究中，清华大学许春晓教授在其综述文章中对应力方程进行一次积分得到了摩擦系数的表达式（FIK恒等式），并阐述了湍流的摩擦阻力远大于层流的原因是其雷诺切应力的作用^[11]。Fukagata等人利用FIK恒等式分析了槽道和圆管湍流在壁面吹吸控制下的减阻效果^[12]，邓冰清博士也进一步整理出了壁面吹吸控制下槽道湍流减阻率的预测公式^[13]。Deck等学者分析了湍流边界层中大尺度结构对壁面摩擦应力的作用，发现流向长度大于边界层厚度的大尺度运动的雷诺切应力对壁面摩擦阻力的贡献超过50%，进一步表明大尺度相干结构在高雷诺数情况下对减阻控制的研究具有重要意义^[14]。

在对壁湍流相干结构的研究中，Kline等人于1967年利用氢气泡显像技术呈现了湍流边界层内层的拟序运动，揭示了壁湍流的条带结构和猝发现象^[15]。Robinson把湍流边界层相干结构分成八种，即低速条带、上抛、下扫、涡结构、强剪切层、近壁团状结构、背面结构和外层的大尺度运动^[16]。Hamilton、Jim nez、Moin等人借助直接的数值模拟对近壁相干结构的动力学机制有了更加深入的了解^{[17]- [18]}：近壁相干结构具有明显的周期性再生过程，这个再生过程不依赖于外区的流动，在雷诺数处于20-60之间时可以自行维持。它分为三个阶段，即条带的生成、条带的失稳破碎、流向涡的再生。在自维持循环中，条带结构首先发生弯曲，壁面摩擦急剧增大，流向涡量增大。涡的存在时间和自维持过程的周期之间存在差异，表明循环再生过程存在一段相对平静的时间用于不稳定性增长和黏性衰减，猝发时间约占整个循环过程的三分之一。

在对壁湍流减阻控制机理的研究中，各国学者研究了多种减阻控制策略，例如改变沟槽壁面几何形状、改变流体物理性质（添加高分子聚合物、微气泡、颗粒物等）、施加外力（电磁力、等离子体等）、外加运动（壁面周期运动、壁面吹吸）等，这些控制措施都在特定条件下获得了良好的减阻效果^[11]。Chio等人最先提出了基于流向涡的主动控制方案，发现了针对相干结构的减阻控制具有巨大潜力^[19]。Chung、Kim等认为成功减阻的流场在探测平面和真实壁面之间形成了所谓的“虚拟壁面”，从而削弱了局部高摩擦阻力^[20]。Deng和Xu则发现减阻率的大小与虚拟壁面的高度和残余雷诺切应力有关^[21]。Gad-el-Hak、Blackwelder、Schoppa等学者也进行了直接干预条带进行减阻的方法研究，取得了良好的效果^{[22]- [23]}。此外，基于发卡涡的控制、减阻的线性机制研究、高雷诺数壁湍流的减阻控制的研究比较缺乏，需要更加系统深入的研究^[11]。

近几年来，我国学者在壁湍流领域的研究也有一些进展。薄天利等人提出了一种壁湍流内区流向速度预测方法，改进了MMH模型，得到了流向速度时间序列的预测结果，预测的流向平均速度、湍流强度、功率谱与实验结果吻合度较高^[24]。尹光等人对最小槽道的数据采用直接数值模拟和正交分解法的手段进行采集与处理，进而得到近壁自维持过程的降阶模型^[25]。叶阳等人应用壁湍流脉动速度信号子波分析的一系列方法对检测壁湍流猝发事件的VITA法进行了修正，提高了VITA法检测壁湍流猝发事件的客观性和准确性^[26]。

我国在壁湍流领域的研究较国外起步晚、深度明显不足、研究不够全面，至今也没有形成完整科学的体系。这需要我们积极学习国外学者积累的经验与成果，同时在其基础上进行创新研究。此外湍流领域的许多理论研究尚不深入，科研人员一直未能完全认识湍流的物理本质 ,也没能建立一套完善的湍流数学模型。一些概念定义模糊不清，部分机理至今也没能搞清楚，导致假说、设想众多，许多问题没有统一的认识，使得湍流的理解难度和研究难度很大。

2.3 2.3热线风速仪测速方法的最新研究进展综述

从20世纪20年代起，各国学者就开始了关于热线测速测试方法的探索研究。国外众多科学家经过了长期的研究工作，总结出了较为正确科学的热线测速理论，但还有众多问题没能得到有效解决^[31]。

近几年来国内也有一些关于热线测速测试的相关研究。大连海事大学的栾剑等人利用热线探头、热线风速仪对等腰三角形湍流射流的流动特性进行了实验研究。他们在射流出口处的势核区中采用3阶多项式的标定曲线进行热线的标定，标定速度范围为所测流场最大风速的2倍。当热线测量值漂移大于0.2m/s时，即重新标定^[32]。杜钰锋等人为了避免传统校准方法的缺陷，根据灵敏度系数建立了热线校准具体化的数学模型，并利用风洞试验验证了其可靠性^[33]。郝刚立、姜楠则使用热线风速仪和双丝热线探头以高于对应最小湍流结构时间尺度的分辨率，分别精细测量了风洞中不同扰动频率下平板湍流边界层不同法向位置流向、法向速度分量的时间序列信号，对不同扰动条件下的实验测量结果进行了对比统计分析^[34]。王同喜等克服了传统的热线风速仪单点风速测试不准确、易受环境影响的缺点，设计了用于隧道防排烟系统检测的多通道热线风速仪并提出了基于该设计的测量方法^[35]。杨明等人采用位移机构带动热线风速仪沿径向移动，测量了X方向的动态速度来研究湍流度沿轴向的变化^[36]。王鑫等人利用热线风速仪进行了熔喷流场温度速度的同步，并提出了一种新的测量方法^[37]。朱博采用二维热线风速仪测量了不同工况下的阵风装置流场参数，给出了二维热线仪的测量方案和在线角度修正方法^[38]。论立勇、陈厚磊提出了一种通过测量气库内压力变化并按绝热热力学过程计算进出气库气体流速从而标定热线风速仪的方法，解决了在高压交变流动条件下缺乏有效标定方法的问题^[39]。韦青燕、张天宏等获得了定量提高恒温型热线风速测量系统动态特性的参量调节规律，简化了系统的调节过程^[40]。张建工、宋双林采用热线风速仪结合示踪技术，判定了支路中风流流向并观测了旁侧支路的风流逆转过程^[41]。马彪、白存儒等采用热线风速仪与表面升华法相结合的手段，研究了由横流不稳定性产生的驻波及其对转捩影响^[42]。谢华、姚惠之等采用热线风速仪和压力传感器同时测量的方法，获取了潜艇尾流边界层的脉动压力和脉动速度信号，运用连续子波变换的自相关和互相关分析，研究边界层相干结构的变化规律^[43]。

国外科研人员对热线风速仪也开展了深入的研究工作。L di Mare等人在考虑流体势能和粘性的条件下，重新推导了热线风速仪对流热损失的新方程。校准时该方程只需要确定标准的King参数和雷诺数相关的阻力系数即可^[46]。ArgüellesDíaz等人阐述了双热线（DHW）风速仪在X阵列探头垂直于流体平面的情况下对气流角和湍流度的测量产生的显著影响，并设计了V型和Z型无干扰DHW探针的新方案^[47]。MSamie等人利用一个现有的恒温热线风速仪理论模型对CTA的设计进行修改，并通过普林斯顿纳米尺度的热风速测量探针证明了CTA工作的可靠性。利用该模型获得的传递函数可以用来估计热丝- CTA系统的真实频率响应和截止频率，从而对速度波动进行测量，这对于精确测量能量谱和湍流流动的高阶统计量至关重要^[48]。ArturDrózdz和他的同事讨论了利用热线探针测量湍流边界层速度波动的问题，利用单探针和X线探针对流体变波动测量的不一致性进行了研究^[49]。OsamuTerashima等人利用热线和冷线组成的联合探头在加热的平面射流中同时测量了速度和温度，得出了湍流热流场不仅可以通过速度或温度场的主导模式来表示，而且可以作为两者的组合来表示的结论^[50]。FrancescoBaldani等人分析了在测试段中插入热丝对测试的影响，提出并验证了一种考虑流体温度漂移影响的新技术。该技术可以降低温度变化对测量速度的影响，引入了针对单个探针和测量条件进行优化的温度加载因子并考虑了流体特性值(普朗特数、动态粘度、热导率和密度)随温度的变化^[51]。KazuhiroOnishi等人利用X型热线传感器和一个放置在热线中心的静压管组成的联合探头在平面湍流射流中同时测量三个速度分量和静态压力，并通过测量过程对新探针进行研究^[52]。Wei Qingyan等人根据热平衡原理建立了恒温热线探头的集中和分布式动态/静态模型。从热线探头尺寸、控制电路参数和流速等方面分析了热线探头的动态特性和静态特性，得出了热线探头的可靠性和稳定性依赖于偏置电压的结论^[53]。ASegalini等人提出了一种基于两点速度相关函数来描述热线探针空间滤波和不对准的分析模型，表明了滤波与横向泰勒微尺度之间有直接关系。通过湍流信号通道流量DNS数据，建立了准确描述探针响应的模型容量，对不同导线长度的滤波效果进行了评价，给出了误差范围并讨论了二阶项对模型方程的影响^[54]。

2． 研究的基本内容、研究目标、拟采取的研究方案及技术路线

3.1 3.1研究的基本内容

列车/汽车通风系统中的气流流动形式可以简化为气流在T-型管道中的流动。对该阵列缝隙作用下的壁湍流特性进行研究，研究结果可为高速列车/汽车通风换气的设计提供重要的参考依据，从而减小列车/汽车的运行阻力和运行安全隐患，为实现陆运运输“节能减排”和“安全高效”的发展提供技术性支持。

本研究利用热线风速仪为主要实验仪器，利用matlab、小波分析等处理方法，研究了阵列缝隙作用下的壁湍流特性。选取雷诺数、湍流强度、湍流脉动强度、平坦系数、偏斜系数、湍流能谱、湍流尺度、雷诺应力、积分长度等特征参数来研究壁湍流特性。对数据处理分析的结果进行总结，提取研究结论并结合实际情况提出关于列车/汽车通风系统减阻优化设计的设想。

3.2 研究目标

以列车/汽车通风系统中的壁湍流为研究对象，通过热线风速仪对数据进行采集，利用matlab计算、小波分析的方式研究其雷诺数、湍流强度、湍流脉动强度、平坦系数、偏斜系数、湍流能谱、湍流尺度、雷诺应力、积分长度等特征参数，以此寻找出列车/汽车通风系统减阻优化设计的思路，为实现陆运运输 “节能减排”和“安全高效”的发展提供技术性支持。

3.3 拟采取的研究方案及技术路线

（1） 研究方案

1）明确毕业设计任务，广泛阅读国内外的与壁湍流研究有关的参考文献，掌握壁湍流的基本原理，同时掌握国内外学者在壁湍流方面的研究现状并找出前人研究的不足之处，明确自己的研究目标。

2） 学习matlab、小波分析的基本知识，了解其发展历史和应用现状并利用matlab计算、小波分析的方式研究阵列缝隙作用下壁湍流的雷诺数、湍流强度、湍流脉动强度、平坦系数、偏斜系数、湍流能谱、湍流尺度、雷诺应力、积分长度等特征参数。

3）对数据处理分析的结果进行总结，提取研究结论并结合实际情况提出关于列车/汽车通风系统减阻优化设计的设想。

技术方案见附件

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]国务院新闻办公室.中国交通运输发展白皮书[z].2016-12.

[2]汪鸣.我国交通运输发展形式展望[j].中国投资，2016，（02）：68-71.

[3]中华人民共和国交通运输部.深入实施西部大开发战略公路水路交通运输发展规划纲要（2011-2020）[z].2011-5-12.