新形式湍流标度律研究

文章利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层内的自相似标度律在不同的壁面距离的具体表达形式进行了实验研究。实验是在动量损失雷诺数(Reθ=2167)下测量平板湍流边界层内的二维瞬时速度场。应用小波分析和传统统计学方法,在垂直于平板的平面内,对不同法向位置的自相似的标度律的具体形式及其随尺度的变化情况进行考察,并与已知的She-leveque(简称SL)标度律进行比较分析。结果表明,随着壁面距离的减小,ESS标度律曲线与SL标度律曲线之间的差别也就越大,而新形式标度律曲线则与SL标度律曲线的差别逐渐减小。     

类-1湍流边界层时平均壁面垂向速度普适解析律

湍流边界层普适统计规律的探索一直是湍流研究中的重要课题之一。该文在前人成功获得零压梯度平板湍流边界层流向速度普适规律的基础上,对壁面切应力仅为流向坐标函数的类-1湍流边界层,采用时-空间平均摩擦速度为尺度,根据壁面律研究中所获得的经验,设计构造了反映垂向速度边界层特征的指示函数(IndicatorFunction,IDF),进而完整获得了对湍流垂向时均速度边界层各个亚层的严格定量划分。在此基础上,该文提出不依赖于雷诺数的三控制参数解析公式,对类-1湍流边界层壁面垂向速度进行预测。该文对其中的控制参数,如抑制长度和抑制强度特征量进行了物理剖析,验证了相关控制参数对边界层壁面垂向时均速度描述的准确性和有效性。研究首次清晰地得到了类-1湍流边界层垂直壁面方向时均速度分量的各个亚层特征,清楚地界定了关于壁面垂向速度分量的内层、双对数线性层、尾迹过渡层和尾迹层的划分,并发现了与时均流向速度半对数层相对应的垂向速度双对数线性层,即ln(7)v(8)与ln(7) y(8)呈线性关系的区域。湍流壁面垂向速度边界层普适统计规律的发现及其解析描述,即分别基于时均局部和时-空间平均摩擦速度为尺度的壁面垂向速度解析表达,与之前流向速度边界层壁面律相结合,将形成表述平板湍流边界层不依赖于雷诺数的普适完整壁面解析规律,即平板完整解析律(Analytical Wall Law),为相关流体工程应用及测量技术提供了数学物理基础。     

平行圆板间轴对称扩散层流与湍流进口段效应的研究

本文利用动量积分关系式近似处理方法,对于平行圆板间层流和湍流进口段长度、压力损失以及流量提出统一计算方法。对层流边界层速度分布f(η)=2n-η~2,对湍流边界层速度分布f(η)=η~(1/7)做为计算特例,作者用自制实验台做了一系列的实验,验证了理论计算值。因而,本文的计算式是简便而又可靠的。     

L.D.A用于溢流坝边界层特性的实验研究

本文应用L.D.A(Laser Doppler Anemometry)对溢流坝边界层特性进行了实验研究,测量了六个不同横截面的速度剖面和溢流坝表面上的边界层发展。根据所测数据导出了边界层厚度的表达式,分析了靠近坝底边界层内层的速度分布,并对溢流坝上的脉动压力与靠近坝底的脉动速度作了分析对比。     

紊流边界层脉动壁压研究

通过试验获得了紊流边界层脉动壁压信号，讨论了不同雷诺数条件下水流脉动壁压的统计特性，并对实测的脉动壁压进行了正交分解与低阶近似的研究．计算结果表明，紊流边界层的脉动壁压可用正交分解进行描述，其特征值随阶数的增加而减小，说明雷诺数越高，紊流中含能模态的激发越多．对脉动壁压进行低阶近似所须的阶数也与雷诺数的大小有关．     

怀特法在圆管湍流进口段求解中的应用

通过把怀特在直角坐标系下对任意压力梯度平板边界层的积分方法推广到位坐标系当中，推导出圆管湍流进口段边界层的微分方程，这一方程只含有摩擦系数和雷诺数．并对压力梯度的影响进行假设的基础上（本文中唯一的经验关系式），求出摩擦系数、边界层厚度和进口段长度。     

湍流边界层流向-展向平面中发卡涡的涡迹特征

研究湍流边界层精细流动结构特征,有助于建立流动结构特征与壁面摩阻、流噪声之间的关联,从而为湍流边界层减阻降噪机理的深层次研究奠定基础。该文应用PIV(粒子图像测速)技术,对平板湍流边界层中发卡涡在流向-展向平面的涡迹特征进行研究。利用PIV瞬时速度场,捕捉到明显的低速条带,通过统计分析获得对数层范围低速条带间距随壁面法向距离的变化以及雷诺数的影响规律。同时,通过涡识别准则,提取在流向-展向平面内长低速条带两侧的反向漩涡带,揭示了发卡涡包与长低速条带的内在关系。此外,还研究了流向-展向平面发卡涡涡腿间距随壁面法向距离的变化规律以及雷诺数的影响。     

雷诺数对近壁面圆柱绕流和壁湍流相互作用结构特性的影响

该文采用流动显示和PIV对近壁面放置圆柱的流场进行了精细测量,重点研究了不同雷诺数下近壁区圆柱绕流与壁湍流的相互作用规律、尺度演化规律及标度律特性。当雷诺数从10 600降至4 800时,波数能量级串标度行为呈现从-5/3至-1变化规律。而联合概率密度分析发现随雷诺数的下降,大尺度结构出现的概率降低,而雷诺数在5 600-8 200时出现了第二象限双峰现象,即尾迹的垂向尺度发生了变化。通过POD分析,圆柱绕流涡脱落受壁湍流的影响规律:高雷诺数时,上侧流向涡增强,近壁面条带结构含能量低,随雷诺数减小而逐步转化,特别是在8200时,脱落涡的二次涡能量传递明显,而雷诺数低于3 800以下时,则没有二次涡出现。     

近平板圆柱体气动力雷诺数效应

该文通过风洞试验对水平板附近圆柱气动力特性进行了研究。实验中圆柱平板间隙比G/D=0-2.0,雷诺数范围为1.9×10~5-4.5×10~5,涵盖了亚临界、临界与超临界区。研究发现,G/D=0和0.05时,在该实验雷诺数范围内圆柱气动力没有雷诺数效应,圆柱上侧始终处于湍流分离状态;G/D≥0.1后,气动力存在明显雷诺数效应,但G/D并不影响临界雷诺数的数值。当0.1≤G/D≤0.4时,圆柱上侧边界层首先发生湍流转变;而当G/D≥0.5时圆柱下侧边界层首先发生湍流转变。亚临界区内,G/D≥0.5的圆柱尾流出现周期性涡脱;而小间隙比下,圆柱涡脱被平板抑制。临界与超临界区域内,各间隙比下圆柱尾流中都无周期性涡脱存在。     

用内层变量法求解圆管湍流进口修正系数

通过把怀特在直角坐标系下对任意压力梯度平板边界层的积分方法推广到位坐标系当中，推导出圆管湍流进口段中外势流速度和进口段效应系数，这一计算是在求出摩擦系数、边界层厚度和进口段长度的基础上进行的，实验证明实验和计算结果是吻合的，由此证明了计算方法的准确性。     

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.     

复式断面明渠浅滩水深及雷诺数对湍流结构影响的大涡模拟研究

天然河流主槽和滩地间存在复杂的水体交换和混掺。利用大涡数值模拟(LES)研究复式断面明渠浅滩深度和雷诺数对湍流结构的影响,研究结果表明:明渠二次流强度和脉动强度在主槽浅滩深度比为1/2时最大;滩槽交界区二次流对顺流向流速结构有较大影响,并使紊动能发生重分布;复式断面明渠二次流强度和脉动强度随着雷诺数的增加逐渐增大并趋于稳定。     

重力场下平板边界层内气液两相流动数值分析

通气减阻技术因具有降低能耗和环境污染小等效果,在工程领域内得到广泛关注。为研究重力场中气相在平板湍流边界层内流动演化过程及由此产生的减阻效应,该文耦合连续表面张力(CSF)的VOF多相流模型和标准k-?湍流模型,求解非定常RANS方程,对边界层内气液两相流动进行数值模拟。通过计算结果与实验结果的对比,验证了数值方法的有效性;进而对不同通气流量和来流雷诺数下,气泡当量直径、近壁区空隙率及流动减阻率进行定量分析。结果表明:减阻效应与近壁区空隙率密切相关;来流雷诺数和通气量的提高,均能增强减阻效应。     

光滑圆管进口段紊流边界层发展

光滑圆管进口段紊流边界层的研究在理论和实践上都具有十分重要的意义。本文在流速分布符合对数律和指数律的假设下,通过求解卡门边界层动量积分方程获得了光滑圆管进口段紊流边界层发展的计算式,并建议了光滑圆管紊流边界层发展区的平均流速计算式。同时对指数n与参数(u_*δ)/v的关系也进行了探讨。     

电磁力对湍流边界层相干结构的影响

利用一组铷-铁-硼强铁磁体和电极组成的电磁极阵列，在海水平板湍流边界层中产生具有一定穿透深度的电磁力，实验研究了行波式洛伦兹力（Traveling—Wave-Like Lorentz Force）对湍流边界层快慢条带的影响，氢气泡流动显示表明在电磁力的影响下，湍流边界层底层快慢条带相干结构出现间距是平均值2～3倍的低速区域，低速条带的统计平均间距明显增大。     

有压力梯度湍流边界层条纹结构的流动显示

本文利用氢泡技术对有压力梯度的湍流边界层进行了流动显示的研究，发现在不同的压力梯度下条纹结构的形状以及强度等发生了变化，得出：逆压梯度能够激励和促进湍流边界层条纹结构的发生和发展，而顺压梯度对之有抑制作用。     

珠江河口底边界层湍流事件研究

该文通过座底式支架的ADV,对珠江河口底边界层的湍流进行了一个全潮25 h的观测,并利用该资料对湍流事件进行了研究,探讨了湍流事件特征量在潮内的变化.研究结果表明:(1)河口湍流事件受潮汐过程的影响,各特征量变化带有明显的半日分潮特征,且急流和憩流时刻差异显著.(2)对于动量事件,憩流时刻事件发生的次数多,但持续时间短,贡献率低,而急流时刻次数少,持续时间长,贡献率高;对于泥沙事件,憩流时刻次数少,但持续时间长且强度高,急流时刻次数多,但持续时间短且强度低.(3)湍流事件发生的时间约占总时间的40％,事件的平均持续时间分别为0.07 s(动量事件)和0.05 s(泥沙事件).     

浅水层流射流大尺度涡流场特征数值研究

在密度均匀的浅水流体中,由于流体的上下边界作用,会抑制动量源流动的垂向传播发展,形成类似分层流体中偶极子涡的准二维大尺度涡结构。该文通过数值模拟手段,以圆形喷管射流模拟动量源,对层流动量源在浅水条件下生成准二维大尺度涡结构的流场特性进行了研究。数值研究中,为考虑浅水流体上边界自由面的影响,设置了空气层;流体的下边界层设置为固壁条件;同时还考虑了不同的雷诺数影响。研究结果针对流场中射流主流轴向速度分布、过射流轴线的水平断面和自由表面速度场和涡量场进行了分析。结果表明,由于上下边界的存在,主流轴向速度分布关于中心轴非对称,而仅在水平断面上保持轴对称,这与无界射流的情况相差较大。同时,过射流轴线的水平断面和自由表面流场具有较高的相关性,这表明大尺度涡的流动显示出很强的二维流动特性。进一步对上述两个平面的涡量场进行分析,发现流场的平均涡量与时间幂次成正比关系,而且三个不同雷诺数下平均涡量的增长和衰减规律是基本不变的。     

弹性管湍流输水减阻的效果评价和应用前景分析

为开发弹性管减阻技术,通过双重管结构,在对弹性管外壁充入几乎与管内压力相平衡的压力空气的条件下,实验考察了弹性管湍流输水的减阻效果。研究结果表明:基于双重管的弹性管减阻特性的评价是可行的;弹性管的壁厚越小,减阻率越大,雷诺数越高,减阻效果越好。使用激光位移传感器对弹性管外壁的脉动振动特性测试表明,弹性管外壁的脉动振动幅度与弹性管减阻率之间存在正相关关系。认为弹性管湍流输水减阻在国内的应用潜力巨大。     

基于IB-LBM的圆柱尾流与壁面湍流之间的涡旋相互作用

该文使用IB-LBM研究了二维槽道中圆柱的尾流与壁湍流之间涡的相互作用。在壁面处出现边界层,同时由于边界层的不稳定性在壁面边界附近产生二级涡。边界层通过"ejection"过程向外喷发涡旋结构。尾流与湍流边界层之间相互作用形成的偶极子远离壁面,最后由于黏性耗散作用而消失。最终,涡旋相互作用的稳定状态出现涡街和弱的边界层。在壁面附近直接级联能谱的标度行为是k~(-3),其表示涡度拟能向小尺度移动;在远离壁面的二维湍流的逆级联能谱是k~(-5/3),这意味着能量向大尺度移动。