具有Riblets边界面的粘弹性流体速度分布的实验研究

利用激光测速手段研究了明槽中Riblets边界上粘弹性流体流动的速度分布。实验证实，粘弹性流动在具有三角形的Riblets底边界时，其粘性底层与紊流核心区内的时均速度分布与窦国仁提出的粘弹性流体速度分布的理论公式很接近。在过渡区，时均速度的理论值与实测值存在着一定程度的差别，这反映了Riblets的影响。根据试验值，文中用试错法对窦氏公式予以修正，用其表述在具有Riblets底边界时的粘弹性流动的时均速度分布。对于脉动速度，实验表明其最大强度出现在过渡区，且该区域较之具有光滑壁面的清水流动的范围为宽。实验还显示，Riblets底边界存在的情况下，脉运速度与窦氏理论值得很接近的。理论预报值略高于实测值。     

含聚合物流体的紊动结构

在牛顿流体中加入少量高分子聚合物后，流体转变为粘弹性流体。文中分析了这种粘弹性流体在层流向紊流过渡状态下的脉动结构，应用窦国仁紊流随机理论。得出了层流、层流向紊流过程呼紊流各流动状态下的时均流速和脉动强度的统一的计算公式，这些公式得到了试验资料的详细验证了公式与试验数据吻合良好。     

高分子聚合物减阻流的紊流结构

减阻紊流刘许多科学技术领域都具有重要意义。然而由于问题复杂,目前对其时均流速分布的研究,基本上局限于试验数据的经验分析,而对脉动流速的研究,还处于对试验资料的定性描述阶段。本文从粘弹性流体的基本方程式出发,导出了粘弹性流体的剪力关系式;并在此基础上应用作者提出的紊流随机理论,导出了光滑明渠和管道中减阻紊流的时均流速分布公式和脉动流速强度分布公式;最后根据聚合物的化学物理性质,给出了确定上述公式中减阻参数的公式。导出的时均流速分布公式和脉动流速分布公式,不仅适用于紊流核心区,而且也适用于近壁的粘性区和过渡区,从而使原来只有用三个公式才能近似表述的时均流速分布规律,有了一个统一公式,并使脉动流速问题得到了定量分析和概括。文中引用各家的减阻流试验数据对导得各公式进行了验证,得到了几乎完全一致的结果。本文为研究减阻机理和阻力等问题提供了理论基础,然而对这些问题的研究结果,将专文加以论述,不在此文之内。     

聚合物稀溶液在粗糙明渠中的紊流试验研究

本文应用一维激光测速仪,在粗糙明渠中,对含有不同浓度聚合物的减阻流,观测了过渡区和粗糙区的时均流速分布和脉动强度分布,并将这些资料与窦国仁所提出的公式作了对比,结果表明,两者相当吻合。     

推移质运动对清水和宾汉体泥浆湍流结构的影响

通过试验研究了清水湍流和泥浆湍流中加入推移质后时均流速分布、脉动强度、概率密度分布、相关系数、频谱密度分布等的变化.试验结果证明,清水和泥浆湍流中加入推移质后时均流速减小,时均流速梯度增大,脉动加强.泥浆过渡区湍流上部为层流,有流核,加入推移质后,上部层流转变为湍流,流核消失.分析证明,这是由于推移质运动增大了雷诺应力和时均流速梯度,因而增大了时均流动向脉动传递的能量的缘故,清水湍流中加入推移质后脉速概率密度分布偏离正态,偏态系数加大.泥浆湍流中加入推移质后相关系数降低,脉动的随机性增大.泥浆湍流的脉动能量集中于低频脉动.由于推移质也可以吸收低频脉动能来支持其运动,所以加入推移质后泥浆湍流的低频脉动能量降低,高频脉动能量增大.     

粘弹性流体边界层运动的紊流结构

运用紊流随机理论研究了粘弹性流体紊流边界层运动的基本规律,导出了边界层内、外区及粘性底层各区统一的时均流速分布计算式;纵、横向脉动流速强度分布和能谱密度计算式。以现有实测资料对这些计算式进行的验证表明,计算结果与试验资料符合甚好。     

壁面粗糙度突变对湍流边界层的影响

本文探讨了湍流在流动不同粗糙度的壁面时粗糙度突变对为点下游流动的影响，假定粗糙度突为引起的扰动小扰动，流动物理量的扰动值满足自似分布，本文分析了得到了描述突点下游流动特性的长度尺度，速度剖面，时均流速及摩阻流速的表达式，并通过实验对理论分析的理论进行了验证。     

基于FLOW-3D的水垫塘底板脉动压力数值模拟

水垫塘底板作为下游河床的防护结构,承受着高速水流的持续冲击,脉动压力是引起其冲刷破坏的主要因素。基于FLOW-3D软件,采用RNGk-ε紊流模型和VOF法对某高拱坝水垫塘底板脉动压力进行了数值模拟,得到了动水压力的时均值、脉动压强系数、概率密度分布和功率谱密度。通过物理模型试验结果验证表明,模拟计算值与物理模型实测值吻合较好,说明数值模拟方法可以应用于脉动压力研究。     

粘弹性流体平面收缩流动的数值模拟

在石油、化工、轻纺和材料等工业中，有大量粘弹性液体的流动问题。如原油升举过程和管道输送中的流动；聚合物溶液和纸浆的流动等。由于粘弹性具有复杂的流变性，实验模拟和解析求解都较困难，随着计算机和计算流体力学的发展，粘弹性流体流动的数值研究日益活跃，成为非牛顿流体研究的一个重要方向。粘弹性流体运动数值模拟的主要困难在于：当Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数和Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇ数达到一定值以后，方程组在求解域内是混合型的，既有椭圆型区又有双曲型区［１］，已有数值计算方法只是得到小Ｒｅ数（Ｒｅ≤８）和小Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｓ数（Ｗｅ≤０．４）的结果［２］，因此，探讨这类问题的数值方法有重要的实用意义。本文在二维Ｍａｘｗｅｌｌ流体控制方程组类型分析基础上，采用类型相关格式求解原始变量方程，对粘弹性流体二维流动进行了数值模拟，得到收缩通道在Ｒｅ＝０～２０００和Ｗｅ＝０～０．８的流动结果。和已有算例比较，扩大了线性粘弹性流体的可计算范围，为进一步研究粘弹性流体三维流动的数值方法打下了基础。     

近壁紊流随机理论及其应用

本文概述了作者近年来在研究近壁紊流方面取得的成果。基于紊流具有多层次的涡旋结构,提出了近壁紊流的随机理论;通过对糙率尾部水流分离的研究,阐明了出现光滑区、过渡区和粗糙区的原因;通过统计分析,明确了处于从层流向紊流过渡状态下的紊动出现机率;基于对粘弹性流体方程式的分析,导出了含高分子聚合物紊流的减阻参教。应用上述理论,全面阐述了明渠流、管道流、边界层流和减阻流的时均结构、脉动结构和阻力规律,并得到了与现有试验资料一致的结果。     

基于FLUENT的小尺度粗糙明渠紊流数值模拟

采用计算流体动力学软件FLUENT 对一小尺度粗糙明渠紊流进行数值模拟研究,得到了不同水深的垂向流速分布、壁面切应力以及摩阻流速值,并将数值计算结果与物理模型实验结果作了比较,发现两者符合得较好,从而验证了FLUENT 用于计算小尺度粗糙明渠紊流的有效性.由于计算机性能的限制,无法得到粘性底层和过渡层的"真实"流速分布,有待今后进一步研究.     

黄陵庙水文断面垂线流速分布特性研究

  为进一步利用天然河流实测资料检验垂线流速分布的指数与对数规律,采用多普勒剖面流速仪在黄陵庙水文断面中实测的不同垂线与不同流量情况下的瞬时流速资料,计算了时均流速的垂线分布,并与指数和对数流速分布公式计算的结果进行了比较分析。结果表明,黄陵庙水文断面不同垂线水流的时均流速分布符合对数与指数分布规律。然而,在不同水流与边界条件下,其指数公式中的指数大小与对数公式中的有关参数有所不同。通过对黄陵庙水文断面垂线流速分布特性的研究,丰富了对天然河流垂线流速分布规律的认识。     

明渠大扩散角过渡段水流特性及偏流机理研究

明渠大扩散角过渡段水流偏流特性是影响输水工程设计的重要问题。在室内水槽试验中采用旋桨流速仪和PIV两种手段,在不同缓流条件下对明渠大扩散角过渡段开展了流速场测量,并对扩散段边界层分离、主流偏移和回流区水流运动特性等问题进行了分析研究。结果表明：水流经过扩散段后发生边界层分离、主流挤压在小范围弱回流区一侧,而另一侧则形成大范围强势回流区,随机形成偏流,流速横向分布不均匀,动量不能均衡扩散;水流特性沿垂向分布具有差异性,明渠扩散段水流的底层和中层受侧壁和底部边界影响较大,水流流向产生偏移,而上层水流边界层分离不明显,水流产生的偏流程度较小。     

三维水沙数值模拟中紊流随机理论应用初探

在平面上采用一般曲线坐标,在垂向上采用σ-坐标变换,用模式分裂法求解自由面水位,采用窦国仁紊流随机理论[1]构建紊流随机模型下的水流泥沙三维数学模型,采用有限体积法离散方程,并针对水工构筑物附近水流运动特点,采用动水压力校正法求解耦合的压力和速度场,在泥沙起动流速里考虑了垂向流速的影响,把计算结果与试验结果及基于Boussinesq假设的紊流模型计算结果进行了对比,表明在同等计算条件下,基于紊流随机理论的紊流模型有更精确的模拟效果,能较好的反映三维水流泥沙的运动和输移情况。     

壁面粗糙度突变对明渠流速分布的影响

应用激光测速仪在矩形水槽中实测了光滑和粗糙底板以及粗糙度突变情况下的时均流速分布，根据实测资料分析了粗糙度突变以后流速在内区和外区沿程变化情况，得到粗糙度改变后发展过程中的紊流，其流速在黏性底层区比粗糙度改变前和充分发展的紊流小，而在对数律区其流速增长最快。对y／H〉0．2的外区，发展中的紊流与充分发展的紊流在外区流速分布有明显的不同，其不同表现可从尾流强度系数П看出，П值变化从负值到正值，当形成新的均匀流后П值趋于常数。     

基于分形理论的冰下水流流速垂线分布研究

冰下水流流速分布是冰凌生消、泥沙输移、河床演变及冰期输水的重要参考依据,基于分形理论,在前人的研究基础上,研究了冰下水流流速垂线分布规律。结果表明,依托明渠水流的若干成果,从分形理论出发,基于Einstein假定,可推出已有冰下不同形式的流速垂线分布公式;理论分析认为,冰下分区水流流速分布近似镜像,均具有分形特征,可用双对数公式表达,实测结果证明,对于弯曲河道,水流核心区流速分布均匀,并不服从对数分布,公式在运用时需考虑适用性或引入因子项;稳封期,冰盖区水流流速分布的分维值大于河床区,流速分布更均匀,而在弯道卡冰区域,由于弯道冰下水流结构的复杂性,河床区水流流速分布的分维值无规律。对冰下水流流速的研究,拓展了分形理论在水流流速垂线分布研究方面的应用成果,概化的冰下水流结构,对工程运用有一定借鉴意义。     

冲泻区形态动力学耦合模型研究Ⅰ:分段输沙率公式建立

海岸泥沙运动的床面推移质输沙率公式多采用修正的单向流泥沙输运的计算公式,难以描述近岸带往复急变非恒定流作用下冲泻区床面泥沙运动规律及其力学机理。本文在总结分析3家冲泻区泥沙运动希尔兹参数修正公式的基础上,对比分析垂向流速、岸坡、渗流等因素对岸滩形态改变的影响,提出符合冲泻区水沙动力特征的瞬时希尔兹参数修正公式,确定了公式所含参数的计算方法,建立了表征冲泻区泥沙运动的推移质分段输沙率公式,并基于理论分析设计水槽实验对公式参数进行计算,拟合得到的分段参数L表征量位于低冲泻区和中冲泻区的衔接处。结果显示,分段进行冲泻区推移质输沙率的计算是可行的,为后续岸滩形态动力学模型的建立奠定了基础。     

EXPERIMENTS OF THREE-DIMENSIONAL FLOW STRUCTURE IN BRAIDED RIVERS

The braided river is a typical river pattern in nature, but there is a paucity of comprehensive data set describing the three-dimensional flow field in the braided river. A physical model experiment was used to study the flow characteristics in the typical braided river with a mid-bar between two anabranches. In the experiment, two kinds of mid-bar with the ratios of its length to maximal width of 3 and 5 were considered. Moreover, the mid-bar could be moved to adjust the width of two anabranches. The detailed measurements of velocity were conducted using an acoustic Doppler velocimeter over a grid defined throughout the whole braided river region, including the bifurcation, two anabranches and the confluence. In two kinds of mid-bar braided models, a separation zone was observed in the anabranch of the model in which the ratio of length to maximal width of mid-bar is 3, however the separation zone was not found in another model in which the ratio is 5. In addition, the opposite secondary cells were observed at the bend apex of anabranch in two models, and different longitudinal velocity distributions in the entrance region of anabranch account for this opposite flow structure. Finally, turbulent kinetic energy were shown and compared in different situations. The high turbulence occurs at the place with strong shear, especially at the boundary of the separation zone and the high velocity passing flow.     

表面活性剂减阻流体热边界层温度脉动及传热特性实验研究

该文针对在水中添加阳离子表面活性剂产生的减阻作用同时降低传热性能的现象,应用相位多普勒激光测量系统和热电偶温度测量系统对二维流道内表面活性剂减阻流体热边界层内的湍流温度脉动以及传热特性进行了实验研究.研究表明,表面活性剂减阻流体平均温度梯度在流动缓冲层很大,热扩散率较低,而水的热阻主要发生在近壁区域的高扩散层.表面活性剂减阻流体温度脉动强度与速度脉动强度有相似的分布趋势,其峰值都向外层移动.在近壁处的高扩散层温度脉动频率很小,而在平均温度梯度很大的低扩散层,减阻流体的温度脉动频率有所增强.而水的温度脉动频率比表面活性剂溶液高且在整个断面上几乎没有变化.对于表面活性剂热流体,湍流温度脉动对轴向热流量的贡献更大,使得轴向热流量的最大值出现在靠近温度脉动强度最大值所在的位置.表面活性剂减阻流体法向湍流热流量分布与雷诺应力分布有相似的趋势.