表面活性剂减阻流体湍流空间结构试验研究

本文应用PIV(Paticle Image Veloeimetry)和PDA(Phase Doppler Anemometry)在二维流道内对CTAC(Cetyltrimethyl Ammonium Chloride)减阻流体湍流流场进行试验研究,得到减阻流体湍流速度分布。研究表明：在完全减阻区内,减阻流体的减阻性能随雷诺数的增大而增大,在过渡减阻区内,减阻流体的摩擦系数则随着雷诺数的增大而逐渐回升,最终回到与溶剂相当的水平上;减阻流体的速度分布曲线在近壁面处与牛顿流体层状速度曲线趋近,但二者并不完全重合;在流道近壁面处,水湍流流动时所能观测到的强烈的旋涡波动在减阻流体中基本消失,与此同时,在此区域内减阻流体的速度轮廓线与流道几乎平行,且该平行轮廓线部分所占比例较牛顿流体湍流流动时相应部分要大很多,减阻流体的湍流强度受到了极大的抑制。     

小槽道表面活性剂湍流减阻及流变特性的实验研究

深入理解表面活性剂减阻机理对于流体管道输送的减阻节能具有重要意义。为了理解表面活性剂湍流减阻特性和减阻机理,本文基于断面尺寸为10 mm×150 mm的二维有机玻璃槽道,对CTAC/Nasal表面活性剂湍流减阻开展了实验测试,并利用MCR302流变仪测试了减阻溶液的流变特性。研究表明,最高减阻率、临界减阻雷诺数、减阻雷诺数范围与减阻溶液的浓度密切相关,但它们之间并非线性关系;剪切作用对表面活性剂胶束剪切诱导结构(即网状胶束结构)的形成和破坏能够很好的诠释表面活性剂减阻机理。     

应用减阻技术 降低输油能耗

<正> 在原油中添加极少晕油溶性高分子减阻剂,能使原油流动摩阻大幅度降低,对减阻剂的这种作用,人们称之为减阻(亦称为减摩或降阻)。一、减阻机理原油在输油管道流动,受固体表面的湍流摩擦振动而往往会在边界上产生漩涡,边界上     

圆柱表面沟槽减阻的大涡模拟研究

为了降低钝体绕流的阻力,以圆柱为研究对象,考虑在圆柱表面布置沟槽来实现减阻。研究采用大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)方法对雷诺数Re为3 900的圆柱绕流进行数值模拟,通过表面沟槽影响近壁区流动来达到流动控制的效果。分析了V型和L型两种沟槽分别以横向和纵向形式布置时对圆柱阻力系数的影响,通过对比粗糙圆柱与光滑圆柱的壁面摩擦力系数、流动分离点及近壁区流场结构,研究了表面沟槽对于钝体流动的减阻机理。数值模拟结果表明：表面布置特定深度与间距的沟槽后,粗糙圆柱的阻力系数与光滑圆柱相比最多可降低12.5%,边界层分离点也更延后;流体在流经沟槽表面时,会在沟槽底部形成稳定的旋转小涡,减少了壁面摩擦阻力。     

超疏水沟槽表面减阻特性数值模拟研究

沟槽结构和超疏水壁面可有效减小湍流流动阻力。针对鲨鱼游动时表皮分泌黏液对鲨鱼表皮润湿性的影响,提出并研究具有更高减阻效果的超疏水沟槽结构。采用雷诺时均法和大涡模拟分别分析两种沟槽结构的减阻效果和机理。结果表明：未经疏水处理的刀刃形和锯齿形沟槽表面,减阻效果最高分别可达9.52%及13.70%,经超疏水处理后,减阻效果最高可达58.00%和63.00%,其更小的湍流涡团及脉动是进一步减阻原因。     

垂直螺旋风力叶片周围的三维流动特征分析

提出一种新型的垂直轴螺旋风力叶片,分析叶片附近的流动特征与叶轮力矩特性之间的关联.采用计算流体动力学(CFD)方法,运用Spalart-Allmaras湍流模型,对两叶片叶轮内外的三维湍流流动进行数值计算.分析设计风速下的叶轮力矩系数;在来流速度为4m/s的低风速条件下,对最大力矩系数工况和最小力矩系数工况下的流动参数分布和空间流动结构进行对比研究.研究结果表明:该叶轮的力矩特性较好;叶片两侧的压差和大尺度低压区的位置是影响该叶轮运行特性的两个重要因素;叶片附近的流动具有明显的三维空间结构.     

添加筛网增强减阻流体湍流特性的试验研究

应用粒子图象测速仪对添加筛网后的CTAC(Cetyltrimethyl Ammonium Chloride)减阻流体湍流流场进行试验研究,得到了在筛网后不同位置的减阻流体湍流速度分布和平均速度分布。研究表明：在靠近筛网处,减阻流体的平均速度分布趋向于和水的速度平均分布相一致,而在远离筛网处,其平均速度分布趋向于减阻流体不加筛网时的平均速度分布;在筛网附近,CTAC减阻流体湍流核心区明显增大,在近壁面处出现强烈的漩涡波动,瞬间速度空间分布趋近于水的速度空间分布,在远离筛网处,CYAC减阻流体过度层明显增厚,在湍流核心区和过度层之间出现小漩涡,这表明被金属筛网破坏的胶束重新缔合成棒状胶束,恢复了减阻性能。     

高压缩比活塞顶形状对湍流动能和缸内气流的影响

基于一台排量1.0L的小型涡轮增压直喷汽油机,研究了压缩比、活塞形状和结构尺寸对缸内气流和湍流动能的影响。结果显示,随着压缩比的提高,缸内滚流在压缩过程中减弱,压缩末期的湍流动能减小,压缩比16.0的活塞在压缩末期的湍流动能大约为压缩比9.6活塞的27%。而对于活塞形状来说,较大尺寸的球面凹坑形状有利于压缩末期湍流动能的保持,而不规则的活塞会使得压缩末期的湍流动能下降41%。凹坑的尺寸存在一个最佳值,凹坑深度过浅或过深都会降低缸内湍流动能。选择压缩比为12.0且湍流动能最高的活塞加工并试验,基于4种不同形状的活塞和最佳油耗的工况分析燃烧特性,结果显示随着工况的改变,缸内湍流动能的峰值和相位会改变,但结构对湍流动能影响的优劣基本不变。火焰扩散方向为缸内湍流动能较大的位置,缸内平均湍流动能越大,火焰传播越快,燃烧特性越好。     

低雷诺数下凹坑结构对翼型层流分离影响的数值研究

在低雷诺数Re工况下,翼型表面容易发生流动分离,形成的层流分离泡会导致翼型气动性能恶化,且分离泡在尾缘周期性脱落,会诱发振动,影响叶片的结构安全。文章以NACA4415翼型为例,采用大涡模拟(LES)方法,在低Re下,对光滑翼型及布置凹坑结构翼型的层流分离进行了研究。研究结果表明:凹坑结构对翼型在低Re下出现的层流分离现象有较好的抑制作用,凹坑结构翼型在尾缘的分离流更加贴近翼型表面,凹坑结构翼型尾缘附近的分离涡明显减少;凹坑结构改善了低Re工况下翼型的气动性能,深径比h/d为0.25时,翼型升、阻比达到最大18.23。     

不同湍流模型对水平轴风力机三维粘性气流特性的影响

对某水平轴风力机叶片附近的三维湍流流场进行了数值模拟,其中在7、15、25m/s 3种不同工况下分别采用S-A、Standard k-ε、RNG k-ε和SST k-ω4种湍流模型。计算结果表明:随着来流速度的逐渐增大,叶片吸力面的分离流沿叶根向叶尖方向逐渐发展,且由于三维旋转效应使得展向流动逐渐增强。和相关实验结果比较,选择不同的湍流模型对数值模拟结果有明显影响,其中RNG k-ε和SST k-ω两种模型可以获得较好的压力分布计算精度。综合考虑压力分布、功率系数和推力系数在不同工况下与实验结果的比较,选择SST k-ω湍流模型较适合模拟该水平轴风力机周围复杂的三维湍流流动。     

湍流场协同模型构建及减阻应用

在稳态、无体积力流动场协同模型的基础上,将场协同原理与湍流流动有效结合,引入Favre平均和RANS,根据Navier-Stokes方程建立了不可压湍流场协同模型。基于最小机械能耗散原理,在约束条件下推导使黏性耗散函数满足极小值的数值解,将不可压缩湍流模型与流动减阻相关联,构建了湍流场协同减阻模型。以后台阶流动验证模型的有效性,结果显示:改变结构后,黏性耗散值从0.633 0 W减小到0.245 0 W,优化了61.3%。     

CTAC减阻流体湍流高阶矩的研究

本文对不同工况下氯化十六烷基三甲基季铵盐(Cetyltrimethyl Ammonium Chloride,简称CTAC)减阻流体二维流道速度场进行了实验测量,分析了倾斜因子及平坦因子等湍流高阶矩的分布特征.实验结果表明:CTAC溶液流动主流区的倾斜因子远离零值,速度概率密度函数偏离高斯分布远,各向异性强,且平坦因子较大,存在拟序结构,主要是脉动频率低、湍流能量小的大涡结构;近壁面的过渡层区倾斜因子偏离零值不远,各向异性小;过渡区存在强烈的湍流混合.     

进口湍流对透平叶栅内部流动影响的数值研究

通过求解N S方程,分别采用Spalart Allmaras与k eps 湍流模型,对VKI低速轴流透平叶栅内部的湍流进行了数值分析。与实验结果比较,两种湍流模型计算结果与实验是一致的。叶栅流动损失的构成、分布以及计算准确性的主要因素是来流边界层状态。入口边界层是端部损失的主要来源。在高速流动条件下,叶栅损失主要是吸力面边界层径向串流及其尾迹。图14参8     

几种带冷却结构的双层管换热及流动对比

对相同质量流量下的光管、双层光管、带冷却结构（肋、扰流柱、凹坑、螺旋通道）的双层管等不同结构的管流动进行了流固耦合三维数值模拟,获取了固体壁温的分布特征;对各结构下,外层壁冷热侧温差、冷气温升、流动特性及综合换热效率进行了研究分析。研究结果表明：相同质量流量下,带螺旋通道双层管的外层壁冷热侧温差最小、综合换热效率最高;凹坑结构双层管与双层光管的流动及换热特性相似,流阻较小但换热效果也较差;扰流柱和肋结构双层管的流动换热特性相近,其温度分布均匀性、换热量介于双层光管和螺旋通道双层管之间,其流阻大且综合换热效率低。     

平板湍流边界层微气泡减阻的大涡模拟

采用大涡模拟研究了通入微气泡对光滑平板及部分粗糙平板湍流边界层减阻的影响.在计算域进口引入扰动以在较短距离内生成雷诺数(基于边界层动量厚度)为1430的平板湍流边界层.利用Weierstrass-Mandelbrot分形函数生成算术平均粗糙高度为75μm的粗糙表面轮廓曲线.结果表明,微气泡体积分数增大时,作用在微气泡上的浮力较大,导致拟序结构远离壁面,并且边界层内部动量交换强度降低,摩擦阻力降低明显;无微气泡时,粗糙表面的存在使得其下游速度条带数量减少,尺寸有所增加,其壁面摩擦系数小于光滑平板情况;在相同的通入微气泡体积分数下,部分粗糙平板上的减阻量小于光滑表面,一方面是由于部分粗糙表面平板本身的摩擦阻力系数较小,另一方面是粗糙表面吸附了一部分微气泡,减弱了微气泡的减阻效果.     

风力机叶片S832翼型的两种湍流模型数值分析方法及其比较

采用S-A和RNGK-ε湍流模型对风力机专用S832翼型的绕流流动建立了二维不可压缩湍流模型,利用计算流体力学软件Fluent,对两种模型进行数值模拟,得到了雷诺数为3×10^6时该翼型在-16°～30°攻角下的升力系数和阻力系数与来流攻角的关系以及压力分布图,并进一步分析了不同攻角下翼型表面压力分布特性,预测了大攻角（达30°）下翼型分离流动特性。结合NREL的试验数据,对两种湍流模型模拟的精度进行了分析比较,结果表明在小攻角范围内采用RNGK-~模型预测该翼型气动性,其结果更加有效。     

气泡粘度对水平槽道气泡减阻率影响的数值研究

采用多相流混合模型和雷诺应力湍流模型,对水平槽道气泡减阻进行了数值模拟;同时考虑了液相湍流诱导气泡聚合、气泡尾流诱导气泡聚合、湍流涡与气泡碰撞产生破碎作用对气泡减阻的影响。在保证雷诺数以及气相体积分数不变的情况下,调查了气相粘度变化以及气泡聚合、破碎物理因素对气泡减阻率和液相湍流的影响。研究表明:减阻率和液相湍流变化与气相粘度的大小具有直接关系;气泡减阻和液相湍流抑制是因气相粘度小于液相粘度而引起的,如气相的粘度大于液相的粘度时,液相湍流则被强化、气泡减阻现象消失;当气泡体积分数较低时,气泡聚合和破碎物理现象对液相湍流和减阻率的影响很小。     

燃气透平第一级叶片燃气侧的流动与换热特性研究

对某重型燃气轮机透平第一级叶栅通道内无气膜冷却下的三维黏性流动与传热特性进行了数值模拟,对比了不同来流湍流度对叶片燃气侧流动与换热特性的影响,分析了静叶非定常尾迹对动叶换热特性的影响.结果表明:来流湍流度对静叶表面的换热特性有明显的影响,但对动叶表面换热特性的影响很小;静叶尾迹对动叶表面的换热特性影响较大.     

基于两种湍流模型的某风机专用翼型数值研究

针对风力机专用S832翼型绕流流动建立了二维不可压缩湍流模型,利用计算流体力学软件Fluent,分别选用S—A、RNGk-ε两种湍流模型对S832进行数值模拟,对比了两种湍流模型对气动模拟精度的影响,得出了雷诺数为3×10^6时,该翼型在-16°～30°攻角下的升力系数和阻力系数随来流攻角的变化关系及压力分布图,分析了不同攻角下翼型表面压力分布特性并进一步预测了大攻角（达30°）下翼型分离流动特性．并与NREL的试验数据进行比较,研究结果表明：RNGk—ε在预测该翼型小攻角范围气动性方面更加有效。     

沸腾表面凹坑的尺度分布特征

在沸腾表面上储气(或汽)凹坑是形成活化核心的关键因素。文中从类似Sierpinski地毯的经典分形表面出发,成功构造了凹坑以不同尺度分布的表面。研究结果表明凹坑的尺度分布雄数与表面形貌的分形维数是两个含义不同的概念,机械表面凹坑(或凸点)的尺度分布特征符合分形理论。分析活化核心的测量结果,表明活化核心的尺度分布同表面上凹坑的尺度分布一样具有分形特征。