层流向紊流过渡状态下粘弹性流体的紊流结构

本文应用激光流速仪,对清水水流及含高分子聚合物的流体(粘弹性流体)处于层流、层流向紊流过渡及紊流状态下的紊流结构进行了系统的试验研究。结合紊动随机模型,分析了两种流体处于层流向紊流过渡状态下的紊流结构,导得了计算脉动强度的统一公式,并利用试验成果,对运用随机理论得到的各紊动参数的表达式又一次进行了验证。     

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。     

学术讨论

该文在水槽中进行了紊流的近壁绕流结构试验和层流向紊流过渡的试验,填补了过渡状态下明渠水流的实验研究的空白。但文中也还存在一些值得商榷的地方,现提出来讨论如下。 (一)层流和紊流的划分标准 层流是一种稳定的水流状态,任何一点在x,y,z方向的流速分别为它们并不因时间而改变,其脉动量均为零。而紊流则是极为复杂紊乱的脉动流态,水流流速随时间变化,其脉动量中至少有一个不为零,有时甚至能达到相当大的数值。严格说来,所有的水流运动均为紊流,只是其脉动强度有大小差异,而在其非常微弱时,可以近似地把这种水流状态当作层流处理。该文中的紊流发生率实测值实际上是水流脉动强     

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。     

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[1]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，脉动速度与窦氏理论值是很接近的。理论预报值略高于实测值。     

过渡状态下明渠水流紊动规律的实验研究

本文采用激光流速仪实验研究了处于过渡状态下的明渠水流的脉动规律。实验结果表明,过渡状态下的明渠水流在空间上和时间上都具有明显的随机性的脉动规律。本试验统计了不同绕流雷诺数下的层流和紊流的发生率。所有实验结果证实了窦国仁最近关于明渠中层流和紊流的总规律的理论研究。     

均质高浓度流从层流向紊流的过渡及紊动强度

和牛顿流体一样,宾汉流体的雷诺数超过一定值后,其流动将从层流向紊流过渡。本文介绍了宾汉流体从层流向紊流过渡时的时均流速和阻力系数,以及宾汉紊流在光滑区的紊动强度沿垂线分布。文中也给出了宾汉流体由层流向紊流过渡时的临界雷诺数近似判别式。     

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。     

高分子聚合物减阻流的减阻机理及其紊动能谱

本文从粘弹性流体的Maxwell方程出发,并运用紊流随机理论,分析了高分子聚合物减阻流的减阻机理,导出了减阻流的脉动能潜分布公式。还给出了达到最佳减阻效果时所需的高分子聚合物浓度(最优减阻浓度)。     

高分子聚合物减阻的试验研究

本文采用激光流速仪,对光滑明渠中清水水流、含高分子聚合物的流体(粘弹性流体)的紊流结构进行了系统的试验研究,根据试验结果,分析了高分子聚合物分子对流体时均结构、脉动结构及阻力系数的影响。在此基础上,结合国外试验资料,对聚合物分子的减阻机理进行了初步分析.最后,对随机理论提出的时均结构表达式及脉动结构表达式再次进行了验证.     

基于混沌理论的明渠湍流速度特征

为了揭示湍流运动的混沌特征规律,选择明渠水槽试验,采用ADV测量沿程衰减的湍流速度场,结合混沌理论,对湍流速度时间序列进行相空间重构,计算对应的混沌特征参数(延迟时间、关联维度、Lyapunov指数、Kolmogrov熵),探究明渠湍流速度混沌特征。分析结果表明:明渠湍流具有混沌特征;安装湍流控制板后,沿水深向上方向和水流方向,湍流的混沌特性不断减弱;进一步通过与湍流统计平均参数比较表明,混沌特征参数的强弱能够反映出湍流涡结构在空间耗散和消亡的变化规律。     

射流冲沙研究

作者通过实验和分析，研究了横流中加入平面冲击射流对防止局部泥沙淤积的影响。水槽实验中观测了水射流局部紊动强度变化、射流冲沙范围内局部紊动剪应力分布、泥沙不淤积临界断面的底部垂向紊动强度和射流强度与泥沙防淤尺度的关系。得出了射流影响区水流紊动能随距离的衰减规律和保持泥沙不淤积所需的水流临界紊动强度。统计分析了射流强度与紊动能的变化关系。根据泥沙悬浮理论和射流紊动输沙机理，建立了水射流局部无泥沙淤积长度经验计算式，并以不同特性泥沙的射流输沙实验资料对所建立的计算公式进行了验证，二者吻合良好。     

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.     

常曲率U型弯道水流紊动特性试验研究

采用三维声学多普勒流速仪,对水流三维流速进行了采集,对弯道水流的脉动进行了统计分析,研究了典型断面的紊动强度、紊动切应力、紊动能的分布。试验结果能够很好的揭示弯道水流的三维特性及分布规律。研究成果为进一步研究水流的紊动结构及泥沙的运动机理提供了参考资料。     

人工加糙对明渠紊动特性影响的试验研究

利用激光测速仪，对光滑壁面及人工加糙的明渠紊流进行了试验，测量了光滑壁面、水力过渡面、水力粗糙面不同水深情况下明渠紊流的纵向时均流速及脉动流速。通过实测资料分析了人工加糙对明渠紊流紊动强度的影响，得到了光滑面、过渡面及粗糙面紊动强度的发展变化规律。     

EFFECT OF NON-SPHERICAL PARTICLES ON THE FLUID TURBULENCE IN A PARTICULATE PIPE FLOW

In the non-spherical particulate turbulent flows,a set of new fluid fluctuating velocity equations with the nonspherical particle source term were derived, then a new method,which treats the slowly varying functions and rapidly varying functions separately, was proposed to solve the equations, and finally the turbulent intensity and the Reynolds stress of the fluid were obtained by calculating the fluctuating velocity statistically. The equations and method were used to a particulate turbulent pipe flow. The results show that the turbulent intensity and the Reynolds stress are decreased almost inverse proportionally to the fluctuating velocity ratio of particle to fluid. Nonspherical particles have a greater suppressing effect on the turbulence than the spherical particles. The particles with short relaxation time reduce the turbulence intensity of fluid, while the particles with long relaxation time increase the turbulence intensity of fluid. For fixed particle and fluid, the small particles suppress the turbulence and the large particles increase the turbulence.     

盲肠河段口门紊动掺混区水流运动的相似分析

本文应用湍流模式，建立了盲肠口门紊动掺混区水流运动的数学模型，在定常流动中，近似具有自相似性。利用相似理论，给出了流函数和流速的相似函数，对掺混区的水流运动进行了模拟计算。并分析了掺混区横向流速梯度及涡粘性系数的变化特性。     

含污染物的环流非充分发展弯道湍流数值模拟

本文建立了可模拟弯道中含污染物湍流的三维部份抛物型代数应力模型，以４５°弯道为例，针对左右两岸分别泄放污染物的环流非充分发展弯道流进行了计算，对所得的水流结构及污染物浓度分布进行了分析，结果充分反映出环流非充分发展弯道流中水流结构及污染浓度分布的特点。     

不规则波作用下垂向圆管射流的试验研究

利用三维超声波测速仪(ADV)对不规则波作用下垂向圆管射流的流场进行了测量.通过与静水条件下圆管射流流场的比较,发现在不规则波作用下射流轴线速度明显减小、射流范围相应增大、周围水体对射流的稀释能力也明显增强;随着波浪强度的增大,射流紊动强度有所加强,而峰值位置则逐渐前移.本文采用因次分析方法对试验数据进行了分析,通过引入长度尺度lm将波浪作用下的射流划分成三个区域:z/lm≤0.1为射流主导段;0.11为波浪主导段.通过对试验数据的曲线拟合,建立了各个区域段内射流轴线流速和射流宽度的经验公式.     

开孔促淤板周围水流紊动特性试验研究

为深入了解开孔促淤板周围的水流特性,通过室内概化水槽试验分析了开孔促淤板前后的水流紊动特性,采用声学多普勒流速仪(ADV)测量了开孔促淤板前后典型断面上的三维瞬时流速,分析了典型断面上的时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果表明:板后近板区出现回流区,且回流区与开孔促淤板格栅位置相对应;板后水流相对紊动强度、雷诺切应力及相对紊动能明显大于板前,开孔促淤板对板后近板区水流影响较大;随着与开孔促淤板距离的增大,回流现象消失,流速变化趋于稳定,水流相对紊动强度减小且最终趋于稳定,相对紊动能出现折减且折减率逐渐降低;靠近近板区xOy面雷诺切应力大于yOz面雷诺切应力,靠近下游xOy面雷诺切应力与yOz面雷诺切应力相差较小。