槽道内聚合物减阻流动对数层湍流结构的影响

为深入阐明聚合物减阻剂对壁湍流的影响,试验研究了聚合物槽道减阻流中近壁对数层的湍流特征结构。高分子聚合物溶液经过多孔壁面缓慢注入槽道,采用立体粒子图像测速技术测量对数层中流向与展向平面内3个方向的速度分量,采用二维粒子图像测速技术测量流向与垂直壁面方向平面的速度场。基于条件平均的方法,发现在对数层存在低动量流体的大尺度条带结构,在黏弹性聚合物溶液的影响下,条带在展向方向上扩展,在流向方向上拉伸;条带周围垂直壁面方向的脉动速度强度明显降低,类喷射运动被显著抑制。     

驻留式微气泡阵列流动减阻机理数值研究

为了完善驻留式微气泡阵列减阻的机理理论,基于有限体积方法,采用大涡模拟（LES）方法对平板及驻留微气泡阵列近壁面复杂湍流流动开展数值模拟研究,采用本征正交分解法(POD)提取2种模型近壁区湍流拟序结构进行对比分析.结果表明：相较于平板,驻留微气泡阵列近壁面切应力变化更加平稳,减小了约13.7%;微气泡气/水界面的动态形变使边界层间歇性流动分离再附着,抑制低速流体上抛、高速流体下扫形成的“猝发”现象,湍流相干结构“猝发”频率减小5.6 Hz.利用POD方法,能够有效地提取近壁面复杂湍流拟序结构的主要分布特征,微气泡的存在加强了湍流近壁区内的小尺度结构,促进流场内湍流动能的均匀分布,抑制了拟序结构的发展,体现了驻留微气泡良好的减阻特性.     

湍流风速谱有效模态的POD分析法

大跨度桥梁和极端天气的出现,使得桥梁的抖振问题备受关注。然而抖振分析的最重要参数之一是风速谱,传统的抖振分析方法认为所有频率的风速会激发桥梁的抖振响应,针对此问题本文提出了基于本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition ）方法对风速谱分解。以某斜拉桥为算例通过对风速谱的分解研究了其有效参与模态对桥梁抖振的贡献。研究发现并不是所有频率的风速谱会激发桥梁的抖振响应,其响应与结构的自振模态和风速谱的有效湍流参与系数有关。     

表面活性剂水溶液弹性湍流特性实验研究

弹性湍流是本世纪初发现的一种新的流动现象,发生在具有弯曲流线的粘弹性流体低雷诺数流态下,对其发生机理和特性的认识还很匮乏.利用传统的二维低速粒子成像测速仪和高速动态粒子成像测速仪(PIV)实验研究了自由面旋转流中的弹性湍流的统计特性.对PIV测得的低雷诺数表面活性剂(十六烷基三甲基氯化铵)溶液粘弹性流体旋转流中水平面和子午面内的速度场进行了流型观测.结果表明实验测量的弹性湍流以大涡运动为特征,表现出在时间上随机而在空间上光滑的特性.     

沟槽面在湍流减阻中的应用

对近些年来的沟槽面湍流减阻技术的工业应用方向 ,沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对于沟槽减阻效能的影响 ,沟槽面对于湍流边界层流动特性的影响 ,沟槽面的湍流减阻机理几方面研究进展进行了综述。从湍流拟序结构理论出发提出 :具有减阻效应的沟槽面不但能通过控制低速制条带间距来降低湍流“猝发”频率 ,而且在“猝发”后的高速“下扫”过程中因其几何结构使藏在槽内的安静流体避免或部分避免因高速“下扫”而“诱导”出较大速度剪切层 ,从而实现减阻。同时指出需要利用先进的实验技术如PIV等图像处理手段并结合直接数值模拟对湍流边界层的瞬时流场进行研究 ,以其找出湍流边界层的流动结构及其运动规律。     

湍流结构的正交分解与低阶近似及湍流相干模式的识别

对湍流结构的正交分解与低阶近似进行了探讨 ,并在正交分解的基础上建立了湍流相干结构相干模式的识别方法 .同时 ,还对射流、湍流边界层近壁区及槽道流动中湍流结构的正交分解与低阶近似进行了介绍     

基于POD方法的非同步大跨屋盖结构风荷载研究

对某大跨度曲面屋盖结构分批进行了风洞试验,第1批测点定义为同步测点,第2批测点定义为非同步测点。根据POD方法采用前若干阶本征模态重建了屋盖的风压场。通过同步测点的风压场预测非同步测点的风压场,并将其与实测非同步风压场进行对比。结果表明,预测风压场与实测风压场吻合较好,说明POD方法在风压预测应用中是有效的。根据随机振动理论,通过风荷载相干函数分析,建立同步与非同步风荷载的相关性,从而提出一种考虑非同步风场的风荷载计算方法。     

沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展

针对长输管道中存在的能源消耗问题,分别从湍流边界层流动特性、拟序结构、条带结构、转捩等方面归纳了沟槽面湍流减阻的国内外研究现状,讨论了沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对沟槽减阻效能的影响.对沟槽面的减阻机理进行了综述,分析了存在的问题.指出需要利用先进的实验技术如PIV等图像处理手段,并结合计算流体力学软件对湍流边界层的瞬时流场进行研究,以找出沟槽面湍流减阻的机理.数值模拟了在平板中部横向布置的下凹沟槽的流场情况,得到了一种小涡流动结构,同时验证了这种结构在减阻中的作用,阐述了对减阻的另一种认识,并对沟槽面湍流减阻技术及其工业利用进行了展望.     

沟槽壁面湍流相干结构被动控制的热线测量

沟槽壁面减阻是船舶和管道输运中具有重要应用前景的减阻技术.应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的多尺度相干结构被动控制和减阻机理进行了实验测量研究.从壁湍流多尺度相干结构控制的角度分析了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.用热线风速仪和双平行丝梯度热线探针测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同法向位置的瞬时流向速度分量及其流向梯度的时间序列信号.用流向速度分量时间序列信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分茸及流向雷诺应力分量的相位平均波形.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的条件相位平均波形、流向湍流强度等统计特征.     

涡轮叶片斜肋通道冷态流场特性的实验研究

为了探究涡轮叶片内部肋通道的流场特性与换热机理,设计不同角度的带肋通道实验模型. 采用流动显示实验与粒子图像测速实验,对通道的典型截面流场进行统计平均特性分析与非定常分析. 结果表明,当扰流肋与流向的夹角为60°~90°时,减小夹角能够降低扰流肋对流体的阻挡作用,增大扰流肋后方旋涡的纵向范围与强度. 减小夹角使第1个肋区间的回流强度先增大后减小,第2个肋区间流体的纵向冲击强度增大. 斜肋结构能够提高主流流体与肋间流体的雷诺应力峰值,增强肋间扰动强度,提升通道的换热特性. 减小夹角可以提升流场的速度振荡幅值与振荡频率,提高通道的换热效率. 减小夹角可以增大流体沿肋向流动的能量与能量波动频率,使得旋涡在向后脱落的过程中更易于与靶面进行能量交换.     

Influence of rheological parameters in all drag reduction regimes of turbulent channel flow with polymer additives

The influence of rheological parameters on vortex dynamics and the extent of drag reduction(DR) were deciphered via extensively analyzing the hi-fidelity direct numerical simulation results of the turbulent channel flow with polymer solutions.It has been observed that in all drag reduction regimes from the onset of DR to maximum drag reduction(MDR) limit,the Deborah number is defined as the product of an effective Weissenberg number,and the root mean square streamwise vorticity fluctuation remains O(1) in the near wall region.The ratio of the average lifetime of axial vortices to the vortex rotating duration decreases with increasing DR,and MDR is achieved when these time scales become nearly equal.Based on these observations a simple framework is proposed adequately to describe the influence of polymer additives on the extent of DR from onset to MDR as well as the universality of the MDR in flow systems with polymer additives.     

Large eddy simulation and proper orthogonal decomposition analysis of turbulent flows in a direct injection spark ignition engine: Cyclic variation and effect of valve lift

Large eddy simulation(LES)is used to calculate the in-cylinder turbulent flow field in a direct injection spark ignition(DISI)engine.The computations are carried out for three different maximum valve lifts(MVL)and throughout 100 consecutive engine cycles.The simulated results as well as corresponding particle image velocimetry(PIV)measurement database are analyzed by the proper orthogonal decomposition(POD)method.Through a new developed POD quadruple decomposition the instantaneous in-cylinder flow fields are decomposed into four parts,named mean field,coherent field,transition field and turbulent field,respectively.Then the in-cylinder turbulent flow characteristics and cycle-to-cycle variations(CCV)are studied separately upon the four part flow fields.Results indicate that each part exhibits its specific characteristics and has close connection with others.The mean part contains more than 50%of the total kinetic energy and the energy cascade phenomenon occurs among the four part fields;the coherent field part possesses the highest CCV level which dominates CCV of the bulk flow.In addition,it is observed that a change in MVL affects significantly the in-cylinder flow behavior including CCV,especially for the coherent part.Furthermore,the POD analysis demonstrates that at least 25 sample cycles for the mean velocity and 50 sample cycles for the RMS velocity are necessary for obtaining converged and correct results in CCV.