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。     

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。     

浅球型凹坑表面对流场的影响

凹坑型表面因对来流方向不敏感、且在流动未分离时负面影响小的优点成为一种有效的非光滑表面减阻技术。基于计算流体力学方法对浅球形凹坑表面湍流流动进行计算,模拟不同来流雷诺数(103~106)、凹坑高径比(0.2、0.35、0.5)下的湍流场。通过分析附面层速度分布等参数的分布获得浅球形凹坑的涡流发生规律。结果表明,凹坑内部产生的对称涡结构是凹坑结构减阻的主要原因。     

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。     

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.     

一种两性表面活性剂腐蚀性和减阻特性实验研究

首先对两性表面活性剂十八烷基二甲基氧化胺（C20H43NO）的腐蚀性进行了定性测试,结果表明C20H43NO对集中供暖系统管道的腐蚀性较弱（相对于当地自来水）。同时还对C20H43NO水溶液在循环系统中的湍流减阻特性进行了实验研究：主要分析了该种减阻溶液的最佳浓度、温度效应及抗剪切特性等。结果表明：C20H43NO水溶液表现出良好的湍流减阻效应（测得的最大减阻率达到77％）和抗剪切特性,且减阻特性与溶液浓度和温度均有很大的关系;在60℃时减阻最佳浓度约为900ppm;1500ppm和900ppm时有显著减阻效果的温度范围为40～70℃,在低温和高温时不具有明显的减阻现象。     

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.     

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。     

叶片尾缘冷气喷射气动与传热性能分析

基于尺度自适应(Scale Adaptive Simulation,SAS)湍流模型,对叶片尾缘偏开缝射流尾迹结构、尾迹掺混损失和壁面冷却有效度在不同射流/主流速度比(VR)条件下的变化规律进行数值模拟研究。结果表明:VR为1.0时冷气对尾缘壁面的冷却效果总体较好;上、下板尾缘脱落涡的主导结构均为卡门涡,随着VR的增大,其脱落频率与旋涡强度增大,导致涡量和剪切应力升高,而尾迹掺混损失由湍流脉动能量和板后回流区长度共同决定;VR为0.5和1.0时尾迹掺混损失相差不大,VR为1.5时相比0.5时增大了4.53%。     

两种径向间隙处理对1.5级高负荷轴流压气机性能影响的比较研究

采用数值模拟方法研究了机匣直沟槽处理和斜沟槽处理对压气机气动性能的影响,对两种处理方式下压气机各叶栅通道的熵产、涡量、回流范围和强度、静压分布、负轴向速度进行了定量计算和定性分析。结果表明：与光壁机匣相比,直沟槽和斜沟槽处理均使压气机的稳定运行范围拓宽了3%以上,直沟槽机匣处理压气机比斜沟槽机匣处理压气机的失速裕度更高,但绝热效率略低。     

涡模型对风力机气动特性的影响研究

比较了4种涡模型的诱导速度分布特征,包括两种层流涡模型和两种湍流涡模型。分别将4种涡模型应用至自由涡尾迹方法的尾涡诱导速度计算中,分析涡模型对风力机低速轴扭矩和尾流的影响。研究表明,在大风速下,湍流涡模型更能真实地反映流动状态;各个模型均能较好地捕捉流场结构和叶尖涡,层流涡模型的尾流涡量更集中,但耗散更快,湍流涡模型的涡量分布均匀,且耗散慢;涡模型对风力机近尾迹区域的尾流风速影响,比对远尾迹区域尾流风速的影响大。     

湍流强度对风力机尾迹涡结构影响的实验研究

为研究湍流强度对风力机尾迹涡结构的影响规律,利用TR-PIV(time resolved-particle image velocimetry)对水平轴风力机模型在有、无格栅4.5D(D为风轮直径)范围内的尾流信息进行采集。通过定性及定量分析对比有、无格栅时尾迹流场瞬时涡量、平均涡量及湍动能的变化规律,再现了不同入流条件下尾迹涡形成、发展和湮灭的过程及尾迹涡系间能量传递特性。分析发现:自由流4.5D范围内均可见明显叶尖涡拟序结构,其衰减速度较慢。格栅入流时随湍流强度增加流层间的强剪切及径向掺混作用增强,使叶尖涡拟序结构失稳,2.5D时拟序结构消失;涡量集中区域较自由流明显扩张,叶尖涡诱导效应影响范围增加;尾迹涡系的湍动能较自由流明显增加,随着尾迹向下游发展叶尖涡、中心涡湍动能很快衰减,附着涡区湍动能却明显增强;附着涡区不再是隔离带,而是叶尖涡和中心涡的能量输送带,从而促进尾迹恢复。     

基于DES射流式涡发生器数值模拟研究

为了更好应用射流式涡发生器抑制风力机叶片流动分离,采用分离涡(DES)方法对平板上射流式涡发生器流进行数值模拟,分析射流式涡发生器旋涡运动规律以及吹风比对射流孔下游湍流场的影响。通过对射流孔下游大尺度湍流相干结构研究表明,发卡涡及流向涡是射流湍流场中的典型相干结构,成熟发卡涡涡腿外侧诱导出的次生流向涡对近壁区能量的交换有着重要作用。对比不同吹风比时射流孔下游流场信息表明,吹风比越大,射流孔下游旋涡尺度越大,射流扰动范围越大,射流壁面摩擦力损失降低,但流场中压差损失变大。     

基于分离涡方法的定日镜风效应研究

选用RANS湍流模型、大涡模拟与分离涡模型等计算流体动力学(CFD)方法,应用由新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(discretizing and synthesizing random flow generation)模拟风场实际的湍流边界条件,对定日镜结构的风压分布及流场进行分析。将数值模拟结果与风洞试验数据进行对比,给出风向角为0°工况下定日镜结构的风压系数分布规律及特点,分析5种模型下定日镜周围的流场分布和涡量分布。结果表明,RANS模型虽然能够模拟出结构周围流场的基本规律,但却无法模拟出风场中的紊流和涡旋的分离扩散情况。大涡模拟及分离涡模型对风场中的紊流和涡旋的分离扩散有较好的模拟效果,在风压系数的分布上也与风洞试验数据拟合较好。在定日镜周围流场中脉动风压系数的分布上,分离涡模型的模拟结果较大涡模拟更为接近风洞试验值,且耗时更少。     

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%。     

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。     

内燃机压缩过程冷态流场的大涡模拟

通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V,建立了内燃机压缩过程冷态流场的大涡模拟（LES）计算模型。利用此模型对内燃机压缩过程中缸内流场的水平速度及湍流动能进行了详细分析,并与k-ε模型进行了比较。结果表明与采用k-ε模型计算时相比,采用LES计算时显示了更为复杂的湍流结构,而且LES所能捕捉到的涡团结构范围要大于k-ε模型。同时,采用LES计算时得到的湍流动能要远远低于k-ε模型。     

表面活性剂减阻剂在集中供热系统中的应用试验研究

本文报道了2007年12月在我国首次进行的实际集中供热系统中加入减阻剂从而获得湍流减阻、增输和节能效果的应用试验研究.本次试验所用的减阻剂为十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)表面活性剂,同时配以等质量浓度的水杨酸钠(NaSal).试验用集中供热系统为青岛市内某供热小区,总水容量约为70 m3.试验过程中减阻剂加入浓度达到500 ppm,获得了明显的减阻增输和节能效果:主供水泵转速不变时加剂前后增输率最高达11.7%;假定通过降低泵转速使系统总流量在加剂前后保持不变,泵运行功率(耗电量)最大可减小28.4%.文中同时对本次试验中发现的有关问题进行了讨论.     

添加筛网增强减阻流体传热性能的实验研究

本文对添加多种型式金属筛网后不同浓度及配比下减阻流体的传热及湍流特性进行了实验研究,对比分析了不同工况下减阻流体的压损率（PL）及传热增强率（HTE）,从而得到减阻流体传热及湍流特性的变化情况。研究结果表明：管道添加筛网后,在低雷诺数（Re）区,PL明显高于HTE;当雷诺数很低时,添加筛网不能改变减阻流体的传热性能,但雷诺数超过3.25×104时,添加筛网后其传热性能明显增强;相同雷诺数下浓度越高,筛网对胶束的破坏程度就越小,当雷诺数达到4.5×104时,其传热性能才开始增强;不同配比和浓度的减阻流体在相应临界雷诺数附近性能最佳。本文可为流体远距离输送、区域供热供冷等工程应用领域的节能降耗技术提供有力参考。     

基于大涡模拟的风力机尾流湍流特征的研究

采用大涡模拟法(LES)对自行开发设计的100 W小型水平轴风力机在来流风速为8 m/s、湍流强度为0.4%时的尾流进行数值模拟计算,计算中提取流场稳定后的x、y、z 3个方向的瞬间速度、压力等参数的600个数据样本,计算得到尾流(1≤y/d≤20)内轴向速度和湍流强度的均方根值,分析风力机尾流内时间平均轴向速度、湍流强度及涡结构等的特征。结果表明:在y/d=5风轮下游位置,轴向速度亏损仍很严重,仅约为来流风速的50%。且在y/d≤5的范围内尾流宽度均略大于风轮直径,尾流膨胀现象不明显。一直到y/d17以后的位置,尾流效应才开始变得不明显;与来流的低湍流特性相比,尾流内的湍流强度大幅提高,在y/d=5位置,湍流强度达到最大,最大湍流强度值为来流湍流强度的30倍,且在近尾流区域存在的4个湍流峰值分别对应叶片的叶尖和叶根位置。