沟槽壁面湍流相干结构被动控制的热线测量

沟槽壁面减阻是船舶和管道输运中具有重要应用前景的减阻技术.应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的多尺度相干结构被动控制和减阻机理进行了实验测量研究.从壁湍流多尺度相干结构控制的角度分析了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.用热线风速仪和双平行丝梯度热线探针测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同法向位置的瞬时流向速度分量及其流向梯度的时间序列信号.用流向速度分量时间序列信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分茸及流向雷诺应力分量的相位平均波形.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的条件相位平均波形、流向湍流强度等统计特征.     

回转体微沟槽面湍流边界层流动实验测量

为了揭示具有减阻功能的沟槽面湍流边界层与光滑面湍流边界层流动的差异,结合粒子图像测速技术对流场无干扰及高精度全场测量的技术优势,在拖曳水池中,采用随车式PIV测量系统,开展了水下回转体分别粘贴微沟槽薄膜和光滑薄膜时的壁面湍流边界层流动显示及速度测量试验,对比分析了微沟槽薄膜湍流边界层和光滑薄膜湍流边界层的速度、速度梯度和流线分布图,说明了微沟槽对湍流边界层流动特征的影响规律:微沟槽薄膜有利于保持回转体壁面边界层流动的稳定,能够减少壁面涡的强度和发生频率,并降低近壁面区的速度梯度.     

近壁湍流边界层相干结构形成的动力学分析

以壁面脉冲扰动来构建湍流边界层近壁区对称与非对称相干结构理论模式,采用直接数值模拟的方法,研究了湍流边界层近壁区对称与非对称相干结构形成的理论机制和演化规律.计算结果显示非对称相干结构比对称相干结构更容易增长,这是由于非对称型结构能在湍流边界层近壁区域诱导产生较大的展向扰动速度,且不同初始结构类型分布对湍流边界层近壁区相干结构形成的动力学机制不同所致,从而加深了对近壁湍流边界层单个相干结构形成的某种动力学机制的认识理解.     

展向行波电磁力控制下的槽道湍流雷诺应力

为研究槽道湍流的电磁力减阻控制问题,采用直接数值模拟(DNS)方法对槽道湍流的展向行波电磁力控制问题进行数值研究.讨论了由展向行波诱导的诱导流场对槽道湍流流场的调制过程,分析了控制前后雷诺应力离散点分布、平均雷诺应力分布以及雷诺应力波谱分布的规律.研究表明,在合适参数条件控制下,展向行波电磁力的控制不仅使近壁条带结构基本消失,形成加宽的低速条带,而且能使控制后的流场中涡结构几乎消失,而仅剩下由展向行波电磁力诱导产生的带状负涡结构,同时展向行波电磁力在一定程度上抑制了湍流的脉动,减小了雷诺应力,最终使壁面阻力下降.     

多孔仿生射流表面减阻特性数值模拟

利用RNGk-ε湍流模型对流体在多孔仿生射流表面上的流动特性进行了数值模拟。结果表明:减阻率和流速比呈线性关系,流速比越大减阻效果越好,最大减阻率为59.02%;单孔射流表面中心线上的摩擦阻力系数先减小后增大,局部减阻率最大为111.8%;射流孔越多,减阻效果越好。探讨了仿生射流表面减阻机理:射流通过改变其表面附近的流场结构,使得边界层黏性底层的厚度增加,垂直于壁面的法向速度梯度减小,达到了显著的减阻效果;同时产生稳定的流向涡结构,并在壁面处形成小的二次涡,抑制了流体间的动量交换,减小了摩擦阻力。     

厚壁面湍流边界层对圆柱脱涡影响的实验研究

在风洞中,用热线风速仪和压力传感器进行嵌入湍流边界层内的圆柱脱涡实验研究.测量了尾涡脱落频率和平板表面压强脉动,目的是分析当圆柱嵌入空气湍流边界层的情况下,间隙比值对尾涡脱落频率及壁脉动压强的影响.实验结果得到了尾涡无量纲频率S t随间隙比及雷诺数的变化情况,壁脉动压强周期性成分的变化规律,还得到了在一定雷诺数下,圆柱对边界层速度的影响范围,为今后的工作和研究提供了实验依据.     

槽道内聚合物减阻流动对数层湍流结构的影响

为深入阐明聚合物减阻剂对壁湍流的影响,试验研究了聚合物槽道减阻流中近壁对数层的湍流特征结构。高分子聚合物溶液经过多孔壁面缓慢注入槽道,采用立体粒子图像测速技术测量对数层中流向与展向平面内3个方向的速度分量,采用二维粒子图像测速技术测量流向与垂直壁面方向平面的速度场。基于条件平均的方法,发现在对数层存在低动量流体的大尺度条带结构,在黏弹性聚合物溶液的影响下,条带在展向方向上扩展,在流向方向上拉伸;条带周围垂直壁面方向的脉动速度强度明显降低,类喷射运动被显著抑制。     

壁面沟槽减阻数值模拟研究

针对壁面流动问题,在PHOENICS 3.6软件平台上,采用RNGk-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层速度分布和粘性阻力,研究了不同雷诺数对V型沟槽减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响,结果表明,对于一种尺寸的V型沟槽,存在着一个具有较好减阻效果的来流速度范围,证明了沟槽具有削弱湍流湍动的功能。     

基于LES模拟的微沟槽湍流减阻特性数值研究

湍流减阻对于能源工程领域的节能减排有着重要的意义,沟槽减阻则是其重要方法之一.为研究高雷诺数下沟槽减阻的适用性及其减阻特性,利用大涡模拟(LES)对光滑平板和微米尺度半圆形沟槽结构表面的高雷诺数湍流进行了数值计算,并分析了涡结构分布及其减阻能力.半圆形沟槽既能锁住沟槽谷内流体,使得沟槽上方产生流动滑移,同时通过沟槽尖峰结构,阻碍了涡的展向运动,从而达到了减阻效果.计算结果表明,在沟槽结构尺寸固定的情况下,需在合适的雷诺数下,才可出现减阻效果.在s+等于15左右时,减阻效果最佳,减阻率可达到19.11％.本文研究结果可为微沟槽湍流减阻的工程计算提供重要参考,对湍流减阻结构设计提供依据.     

驻留式微气泡阵列流动减阻机理数值研究

为了完善驻留式微气泡阵列减阻的机理理论,基于有限体积方法,采用大涡模拟（LES）方法对平板及驻留微气泡阵列近壁面复杂湍流流动开展数值模拟研究,采用本征正交分解法(POD)提取2种模型近壁区湍流拟序结构进行对比分析.结果表明：相较于平板,驻留微气泡阵列近壁面切应力变化更加平稳,减小了约13.7%;微气泡气/水界面的动态形变使边界层间歇性流动分离再附着,抑制低速流体上抛、高速流体下扫形成的“猝发”现象,湍流相干结构“猝发”频率减小5.6 Hz.利用POD方法,能够有效地提取近壁面复杂湍流拟序结构的主要分布特征,微气泡的存在加强了湍流近壁区内的小尺度结构,促进流场内湍流动能的均匀分布,抑制了拟序结构的发展,体现了驻留微气泡良好的减阻特性.     

Large eddy simulation of unsteady transitional flow on the low-pressure turbine blade

The aim of this paper is to predict the phenomenon of laminar separation,transition and reattachment in a low-pressure turbine(LPT).Self-developed large eddy simulation program of compressible N-S equations was used to describe the flow structures of T106A LPT blade profile at Reynolds number of 1.1X105 based on the exit isentropic velocity and chord length.The computational results show the distributions of time-averaged wall-static pressure coefficient and mean skin-friction coefficient on the blade surface.The locations of laminar separation and reattachment points occur around 87%and 98%axial chord,which agree well with experiment data.The two-dimensional shear layer is gradually unstable along the downstream half of the suction side as a result of the spanwise fluctuation and the roll up of shear layer via Kelvin-Helmholtz(KH)instability.Three-dimensional motions appear near 84%axial chord which later triggers spanwise vortexes and streamwise vortexes,leading to transition to turbulence in the separation bubble.Through introducing the concept of dissipation function,the high loss mainly comes from the places where strong shear layer and intense fluctuation exist.Furthermore,the separation region is only an accumulation center of the low-energy fluid rather than an area of loss source.     

小尺度沟槽面边界层湍流参数的测量

利用二维激光多普勒测速仪对零压力梯度下光滑面和小尺度沟槽面的沟槽及峰上部区域中湍流边界层流场进行了对比测量。着重考察了在相同流动条件下两位置的平均速度、流向速度脉动强度、高阶矩以及雷诺剪应力的分布特性。实验中发现 :沟槽能够增加粘性底层的厚度 ,减小壁面剪切力 ,有减阻效应。而此处的流向速度脉动的强度、高阶矩以及雷诺剪应力在距离壁面的某一区域中有减小或降低现象 ,说明沟槽具有削弱湍流湍动的功能 ;而峰上部的湍流统计平均量则表现出与槽相反的结果或趋势。同时还讨论了该沟槽面减阻的原因     

仿生肋条减阻技术在输气管道中的应用

近年来,随着天然气需求量的不断增加,输气管道输送效率问题越来越受到重视。由于输气管道的主要损失为摩擦阻力损失,因此降低摩擦阻力成为研究输气管道的重点。为探究V形肋条在输气管道减阻中的应用,采用FLUENT软件对两种不同几何尺寸的V形肋条进行数值模拟,把大管径管道仿生肋条的减阻研究近似转换为平板输气管道的数值模拟。研究结果表明,V形肋条输气管道与光滑输气管道在对数层的速度位置轮廓线不同|在相同天然气进口速度下,V形肋条肋顶的切应力大于肋底的切应力,且肋底的近壁局部湍动能较小|肋高h、肋宽s均为0.90 mm的V形肋条输气管道的减阻效果好于肋高h、肋宽s均为0.51 mm的V形肋条输气管道。     

沟槽面在湍流减阻中的应用

对近些年来的沟槽面湍流减阻技术的工业应用方向 ,沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对于沟槽减阻效能的影响 ,沟槽面对于湍流边界层流动特性的影响 ,沟槽面的湍流减阻机理几方面研究进展进行了综述。从湍流拟序结构理论出发提出 :具有减阻效应的沟槽面不但能通过控制低速制条带间距来降低湍流“猝发”频率 ,而且在“猝发”后的高速“下扫”过程中因其几何结构使藏在槽内的安静流体避免或部分避免因高速“下扫”而“诱导”出较大速度剪切层 ,从而实现减阻。同时指出需要利用先进的实验技术如PIV等图像处理手段并结合直接数值模拟对湍流边界层的瞬时流场进行研究 ,以其找出湍流边界层的流动结构及其运动规律。     

明渠湍流横向涡旋的尺度与环量特征

为了分析明渠湍流中横向涡旋的尺度与动力学特征,利用自主研发的高频粒子图像测速系统测量了6种水流条件下的明渠恒定均匀流时间序列流场,使用涡旋提取方法识别涡旋,提出一套简洁客观的涡旋尺度及环量确定方法,分析了明渠湍流横向涡半径与环量的特征。涡旋的无量纲尺度与强度仅与所在位置有关,与雷诺数等其它因素均无关系。从壁面附近至对数区的上边界,涡旋的平均半径增大。受水面影响,半水深以上的涡旋半径有逐渐减小的趋势。在粘性作用下,涡旋的平均环量由壁面至水面总体呈减小趋势。时均剪切对逆向涡旋的尺度与强度均有抑制作用,其平均尺度与环量在全水深均小于正向涡。     

非牛顿流体边界层减阻流动研究

研究了四常数Maxwell-Oldroyd模型非牛顿流体边界层流动,给出了边界层内速度分布数值解,以及边界层厚度、摩阻系数沿程变化关系。为探讨高分子稀溶液管内流动减阻提供了理论依据。     

平板边界层湍流的数值分析

对于不可压缩平板边界层的时间模式的直接数值模拟（DNS）而言,在转捩后继续计算,就可以得到湍流直接数值模拟结果．分析计算结果发现,当湍流充分发展后,其平均流剖面、各种量的脉动均方根值和雷诺应力等沿平板法向的分布都具有相似性．不过,从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程,其间上述相似性不成立．这一结果为简化但又较准确地计算工程技术问题中的湍流提供了一种可能性．此外,还分析了其他一些湍流特征,如形状因子和位移排移厚度随时间的演化规律．为了观察到相干结构,须将展向的计算域缩小一半,以增加分辨率,研究结果表明,湍流边界层近壁区存在相干结构,其主要表现是准流向涡或涡对．