基于LES模拟的微沟槽湍流减阻特性数值研究

湍流减阻对于能源工程领域的节能减排有着重要的意义,沟槽减阻则是其重要方法之一.为研究高雷诺数下沟槽减阻的适用性及其减阻特性,利用大涡模拟(LES)对光滑平板和微米尺度半圆形沟槽结构表面的高雷诺数湍流进行了数值计算,并分析了涡结构分布及其减阻能力.半圆形沟槽既能锁住沟槽谷内流体,使得沟槽上方产生流动滑移,同时通过沟槽尖峰...     

基于数值模拟的2种条纹沟槽减阻特性对比分析

湍流减阻是流体力学研究的热点问题,在诸多湍流减阻方法中,条纹沟槽因其结构简单和使用方便等特点,受到广泛关注。为了探究沟槽形貌对沟槽减阻效果的影响,采用基于大涡模拟的CFD方法,数值研究三角形与梯形沟槽对湍流边界层流场的影响及减阻特性。通过RANS、DES和LES方法分别对光滑槽道湍流进行数值模拟,并与直接数值模拟的结果进行对比,验证了大涡模拟方法的准确性和可行性。基于参考文献的实验结果,对三角形与梯形沟槽湍流边界层流场的积分统计量、一阶统计量和二阶统计量等流场参数进行了对比分析,并通过对减阻率、时均速度、速度脉动均方根、剪应力、湍动能生成项和展向脉动速度等物理参量变化及影响规律研究,探讨了2种条纹沟槽减阻特性,由此得出结论：在相同无量纲条件下,梯形沟槽相较三角形沟槽减阻效果更好。     

壁面沟槽减阻数值模拟研究

针对壁面流动问题,在PHOENICS 3.6软件平台上,采用RNGk-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层速度分布和粘性阻力,研究了不同雷诺数对V型沟槽减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响,结果表明,对于一种尺寸的V型沟槽,存在着一个具有较好减阻效果的来流速度范围,证明了沟槽具有削弱湍流湍动的功能。     

壁面纵向沟槽减阻的实验研究

平板表面开Ｖ形纵向沟槽,与光滑板进行流动阻力对比试验,结果表明,表面开沟槽以后具有明显的减阻效果,其减阻程度取决于表面所开纵向沟槽的几何特性。在实验范围内,０１ｍｍ沟槽减阻效果最佳,减阻率可达１０％。     

输气管内壁仿生减阻大涡模拟

流向的微小沟槽表面能有效降低壁面摩阻,降低输送能耗。针对内表面有三角形肋条的输气管道,采用大涡模拟对不同流动状态进行模拟,分析了流场速度矢量图、均方根速度剖面线和雷诺切应力。结果表明,肋条无量纲尺寸s＋＝20.7时肋条的减阻效果最好;湍流形成的涡经过肋条时被肋峰切开在肋条中形成小的反向小涡,将流体与壁面之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦,降低摩擦阻力;光滑管壁、肋条的肋峰和谷底表面的速度剖面线只有在壁面附近差别较大,在远离壁面处趋于一致,肋条对流场的影响主要发生在近壁区。     

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。     

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.     

两种典型肋条形状大涡模拟

在长距离输气管道中最主要的能量损失形式是湍流阻力。为了研究肋条形状对湍流情况下流过肋条的流体介质的影响规律,采用CFD软件,在雷诺数为5 300的条件下,对间隔三角形肋条和刀刃形肋条两种典型肋条进行大涡模拟,通过分析壁面阻力和流场,得出减阻效果更好的肋条形状,并找出不同形状肋条影响流场的原因。结果表明,与间隔三角形肋条相比,刀刃形肋条受到的壁面阻力更小,近壁区速度梯度更小,产生的二次涡使流场更加稳定,具有更好的减阻效果。     

横向椭圆射流的大涡模拟

为探索大型电站锅炉横向再燃射流的穿透性，采用大涡模拟方法分别计算了射流速度比率为10的横向圆管湍流射流和椭圆湍流射流，基于射流速度50 m/s的雷诺数为16 600.模拟结果表明，圆管射流中心轨迹与试验数据基本一致，方向因子为0.3的椭圆射流的穿透能力远大于圆管射流穿透力.计算捕捉到了射流上游由开尔芬 亥姆霍兹不稳定性引起的剪切层涡卷、始于近场并主宰远场的逆向旋转涡对和圆管射流尾涡区的垂直上升尾涡.与圆管射流相比，椭圆射流的剪切层涡卷的强度大大减弱，逆向旋转涡对狭长对称，尾涡区的垂直上升尾涡并不明显，这是椭圆射流穿透力提高的主要原因.     

减阻沟槽表面对湍流边界层高阶矩特性的影响

以光滑平板及间隔V型减阻沟槽面为研究对象,利用二维LDV系统获得光滑平板及沟槽板上部区域湍流边界层流场的流动参数。通过象限分析法深入研究减阻沟槽表面湍流边界层中雷诺切应力的变化情况,着重考察沟槽面对湍流边界层高阶统计参数的影响,并将高阶统计参量同湍流边界层相干运动规律结合起来,由此来探讨沟槽面与湍流边界层之间的相互作用规律。结果表明,沟槽的存在抑制了整个近壁区低速条带的喷射运动,降低了y+<15区域内高速流体的下扫强度;雷诺切应力以及湍动能的法向输运主要是由喷射和下扫这两种运动来完成的,沟槽的存在削弱了雷诺切应力及湍动能的法向输运水平;沟槽的存在减小了y+<13区域内的流向速度脉动的偏斜因子与y+<3区域内流向速度脉动的平坦因子。     

冲击射流二次生成涡的大涡模拟研究

为揭示冲击射流大涡拟序结构的变化规律，研究了冲击射流壁面二次生成涡卷起及与壁面分离的演化特性.采用Smagorinsky提出的亚网格尺度模型，得出了壁面二次生成涡结构变化与冲击高度、雷诺数和喷嘴宽度的关系.数值模拟结果表明，雷诺数对壁面二次生成涡的卷起位置影响较小，但是壁面二次生成涡与壁面的分离位置却有随雷诺数增大而外移的趋势.随着冲击高度的增加，二次生成涡卷起及与壁面分离位置距离滞止点的位移也相应的增加.当冲击高度与喷嘴宽度的比值取值相同时，喷嘴宽度的大小对壁面二次生成涡的演变特性基本上没有影响.     

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.     

基于剪切稀化模型的三通减阻数值模拟

为了研究添加表面活性剂在供热管道局部构件处的减阻效果,选取三通构件模型,利用计算流体力学软件模拟管内不同雷诺数下纯水和CTAC/NaSal溶液的流动。通过网格无关性、对比减阻规律验证了Carreau-Bird模型的可靠性,着重分析了减阻率、流速分布和湍动能的变化,并采用Ω准则和Q准则分析三通涡结构变化。结果表明：三通中添加CTAC溶液,减阻效果小于直管,但在较小雷诺数下就达到减阻率最大值;添加CTAC溶液改变了三通内流速分布,会使管内低速流动区域减小,而高速流动区域增大,出口段湍流流动层流化;降低了壁面附近的涡量,但增加了涡旋中心区的涡量。     

圆管内高聚物湍流减阻流动特性研究

高聚物湍流减阻可降低传输过程中的流动阻力和能耗,研究其减阻特性具有工程应用价值。文章采用等效黏度模型和湍流模型,利用计算流体力学方法建立三维模型,结合减阻参数,模拟了流动速度和高聚物浓度等影响高聚物减阻的主要因素,分析了管道内湍流减阻的流动特性及减阻规律。结果表明：圆管管道内高聚物湍流减阻率随减阻参数的增大而增大,其最大减阻率约在50%处,而后减阻效果降低,且管道内流速越大,减阻效果越好;管道中雷诺应力分量、湍动能、涡黏系数、湍流涡耗散随减阻参数的增加逐渐降低,当减阻参数为28时,高聚物湍流减阻效果最好。     

基于大涡模拟的旋风分离器锥体结构影响研究

采用数值模拟方法比较研究两种几何尺寸旋风分离器内流场和颗粒运动。对单相流场采用湍流各向异性的大涡模型(Large Eddy Simulation),对气、固两相流场采用相间耦合的随机轨道模型。研究锥体下口直径对旋风分离器速度分布,压力分布,和对颗粒运动轨迹的影响,为进一步研究旋风分离器的分离机理理论及实验研究打下基础。     

辽河稠油减阻实验研究

通过对江河稠油减阻实验研究结果进行全面的分析，探讨了减阻技术应用于辽河稠油管道输送的可行性．实验结果表明，对江河稠油加入30～60μg／g的EP减阻剂，其减阻率其减阻率可达到7．5％左右，增输率在4.4％左右；减阻率随减阻剂添加量的增加而增加，但减阻剂浓度达到一定后，减阻率提高缓慢；在管径相同的条件下，减阻效果随着雷诺数的提高而增加；在相同的加药量和雷诺数的条件下，随着管径减小，减阻效果有所增加．     

水轮机全三维粘性大涡模拟数学模型研究

采用大涡模拟技术,建立了绝对坐标系和相对坐标系下的联合计算数学模型,控制方程的离散在空间上采用有限体积法,时间上采用了具有二阶精度的“预测-校正”法,固壁边界使用“部分滑移”条件,使用该模型对高水头、高转速混流式水轮机流动特性进行计算。结果表明,转轮计算流场分布与实际情况吻合,在部分负荷工况下,叶片出水边存在脱流现象,造成叶片出水边表面出现负压。尾水管直锥段和弯肘段在部分负荷工况下存在较强的旋流,在轴心线附近存在回流现象,并成功地模拟了尾水管中的涡带现象,与实际观测结果一致,该涡带频率为机组旋转频率的三分之一左右,振幅较大,属于低频大幅值性质,是引起机组振动的根源之一。     

矩形通道内纵向涡发生器布置方式对流动传热的影响

对矩形通道内非对称布置矩形纵向涡发生器进行了数值模拟研究,得出了Re在500~2 000范围内非对称布置纵向涡发生器对空气的流动和换热特性的影响规律.结果表明:非对称布置纵向涡发生器比对称布置纵向涡发生器的Nu数仅减少了4%~6%,而阻力因子f减少了11%~12%,减阻效果非常明显.非对称布置纵向涡发生器的综合换热性能j/f比对称布置方式增加了5%~20%,表明非对称布置纵向涡发生器的综合换热性能更好.     

室内气流大涡模拟的基础性问题研究

室内气流流动是暖通空调工程中的一个重要问题,大空间内的空气分布尤其如此.由于湍流结构的极端复杂性,用解析法对它求解目前是不可能的.大涡模拟作为一种最新发展起来的湍流模拟方法,不但计算工作量较直接模拟小而且在许多情况下具有很高的精度.然而,在把它用于大空间室内气流数值模拟前必须解决一些基本的问题.以高大空间强迫对流为例,研究了大涡模拟中诸如边界条件设定、空间差分和时间差分及时间步取值等重要问题,为大涡模拟在室内气流数值仿真中的应用打下了基础.     

室内气流大涡模拟的基础性问题研究

室内气流流动是暖通空调工程中的一个重要问题，大空间内的空气分布尤其如此。由于湍流结构的极端复杂性．用解析法对它求解目前是不可能的。大涡模拟作为一种最新发展起来的湍流模拟方法，不但计算工作量较直接模拟小而且在许多情况下具有很高的精度。然而，在把它用于大空间室内气流数值模拟前必须解决一些基本的问题。以高大空间强迫对流为例，研究了大涡模拟中诸如边界条件设定、空间差分和时间差分及时间步取值等重要问题，为大涡模拟在室内气流数值仿真中的应用打下了基础。