浅水圆湍射流流场特性数值模拟

该文使用计算流体动力学CFD方法,基于不可压缩的Navier-Stokes方程,对圆管湍流射流在浅水密度均匀流体中的流场演化进行了数值模拟。在圆管湍流射流过程,运用Realizable k-ε的雷诺时均RANS模型;射流停止后,采用大涡模拟方法模拟大尺度漩涡在背景流体中的演化。为了考虑自由面的影响,计算域设置了空气层,并采用流体体积函数VOF方法对自由表面进行追踪。在不同的水深约束参数和雷诺数的组合下,对偶极子涡的速度场与涡量场的变化特性、垂向运动特征、涡量-流函数的变化特性以及动能和动量的演化规律等方面进行了分析,结果表明:不同水平面上偶极子涡的速度矢量场之间在涡的前端表现出较大差别,涡的前端存在垂向环流现象,流场具有明显的三维运动特征。不同水平面上垂向速度梯度的峰值和该平面上垂向涡量的峰值差不多大,垂向速度梯度不能忽略,再次证实了偶极子涡垂向运动现象的存在。偶极子涡主流动的涡量和流函数之间存在非线性关系,其散点图由中心对称的两个形似"镰刀"状的分支组成,并且随着时间的推移,"镰刀"状的区域逐渐变窄。偶极子涡主流动所在平面上的动能和动量在不同工况下均逐渐衰减,但动量的衰减速率会因自由表面及底部边界条件的影响而发生明显波动。     

曝气-搅拌反应器内环流流场的PIV测量和POD分析

该文采用二维粒子图像测速技术(PIV)对曝气-搅拌反应器内环流流场进行测量,获得不同搅拌转速下流场的流速和涡量分布。应用本征正交分解(POD)方法提取流场主要相干结构,系统地研究了能量贡献和POD模式。结果表明:搅拌转速对环流流场的影响体现在环流速度和涡量分布上,对流场的流型影响较小,高搅拌转速有利于提高混合效果和区域间的物质交换作用。前3阶模态表征环流流场最主要的相干结构,呈现层次化三尺度流动结构,第一个尺度主要与反应器的主流流动有关,通常由1阶模态表示;第二个尺度主要由大尺度的涡对来表示,体现在2阶和3阶模态中;第三个尺度表现为更均匀的小尺度涡,主要分布在搅拌区内和转速为1 200r/min的2阶和3阶模态中。因此,增强低转速下的大尺度结构将有利于环流流动,提高反应器的混合效果。     

二维浅水流动的旋涡动力学问题探讨

导出了二维浅水流动的涡动议程与速度环量的随体导数表达式，以此为基础，分析了二维浅水流动中旋涡的动力学性质；阐明了离散涡方法（DVM）发展中的前沿问题，并对DVM在二维浅水流动数值模拟中的应用前景进行了展望。     

风琴管喷嘴喉部结构对射流流场流动结构影响的数值研究

本文提出了一种采用间歇涡环模型述射流流场的大尺度流动结构特性，并依据边界元方法优化设计风琴管等自激振荡型喷管的内流结构曲面和其喉部结构的数值实验方法，计算结果表明内流过渡曲面为椭球面而出口形状为锥面的风琴管式喷嘴喷射出的圆形射流流场具有良好的大尺度涡环结构。     

方柱绕流CFX三维数值模拟

该文利用计算流体力学软件CFX,对恒定来流条件下黏性不可压缩流体的圆柱和方柱绕流进行了数值模拟。采用有限体积法和SIMPLE计算方法,求解不可压缩Navier-Stokes方程。首先开展雷诺数(Re)等于100和300时的圆柱和方柱绕流问题的二维数值模拟,分析比较了网格大小和时间步长对模拟结果的影响,并比较了不同柱体情况下的流体流动的差异性。进而对Re=100、300时方柱绕流问题进行了三维数值模拟,重点分析了各截面上阻力和升力系数、Strouhal数以及涡量特性与二维结果的差异。发现Re=300时,周向压力、速度场和涡量场与Re=100时相比存在明显的三维特性,并且由于二维流动结构发展成三维流动结构时需要消耗能量,导致三维的阻力升力系数计算结果均小于二维计算结果。研究表明,该文的数值结果与文献结果吻合良好。     

横流中有限宽窄缝射流的旋涡结构

本文应用PIV流动显示技术详细测量了有限宽度窄缝射流从底部射入横流的流场结构。在此基础上采用湍流数学模型及相应的混合有限分析方法，得到横流中有限宽窄缝射流的时均及瞬态流场、涡量场，以此来分析流场、涡量场特性，揭示各种具有拟序结构性质的复杂涡系的产生、发展及演化过程。实验观察到射流迎、背流剪切涡层卷起形成类开尔文涡列。本文还探讨了横流绕流分离旋涡的生成机理及其转向。另外，观测到射流喷口上游的马蹄涡系以及射流逆流区下游尾迹区旋涡的层状结构形式。通过拓扑分析的方法，给出了横流中有限宽窄缝射流旋涡近区流场的拓扑性质。     

对称突扩水流流态失稳和流场结构

对称突扩分离再附水流现象广泛存在于工程和生活中,流道突扩易产生局部水头损失、压力变化、结构振动、次生噪声等,对称突扩存在流场对称性失稳现象,如管道对称突扩等。然而,由于紊流的复杂性和量测技术的局限性,人们对其流动特性和流态演变规律认识仍然不足,有必要开展对称突扩流动的流场结构分析研究。本文基于物理模型试验和高精度图像粒子测速技术,模拟了不同雷诺数条件下（Re=539~48 911）对称突扩水流流动现象和精细流场结构,包含层流、过渡流和充分发展的紊流典型流态,随着雷诺数Re增加,流态从层流过渡到紊流,从对称到非对称分布,其流态发生对称性失稳,高雷诺数紊流时主流偏向一侧,流场结构相对稳定;揭示了突扩水流主流两侧形成的非对称分布的大尺度涡漩结构,其与流场对称性失稳有关联。     

基于弱可压缩理论的射流泵流场数值预报

应用弱可压缩流体控制方程和大涡模拟湍流模型，采用MacCormack的预估一校正方法对射流泵内流场(二维)进行了数值模拟。经过对不同射流泵运行工况的计算，都取得了令人满意的预报结果。研究表明，弱可压缩流动方程能代表低马赫数时的真实流动现象，且方程具有双曲性质易于数值求解。数值模拟结果可为改进射流泵性能提供依据。     

基于k-ε紊流模型的后台阶流流动特性研究

后台阶流是几何结构简单而流态复杂的流动现象.采用二维k-ε紊流模型对后台阶水流流动进行数值模拟,并结合PIV系统测得的雷诺数,对Re=500~50 000范围的台阶后定常流动流场数据进行对比分析研究.结果表明流场结构存在稳定的回流区,回流区长度随着Re的增大先急速上升,然后又急速下降,最后缓慢回升直至稳定.断面速度受回流区影响较大,峰值随断面的往下游推移逐渐减小,随Re的增加,断面速度也缓慢减小.压力、紊动能的分布也受到回流区的影响,其中紊动能在低雷诺数情况下受回流区的影响较小.     

流动环境中平面负浮力排放的数值模拟

建立流动环境中平面负浮力倾斜射流的二维k-ε湍流模型，采用D M Shahrahani和J D Ditmars(1976)的试验资料进行检验，并且对平面负浮力倾斜射流流动特性进行了数值预报。给出了射流的分区及分区的界限，同时亦给出了涡心断面的物理量的分布及典型断面上湍动能平衡图。     

临界区雷诺数下翼型流场电磁力控制的脱体涡模拟

利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极翼型产生的三维Lorentz力分布,将其加入到流体控制方程的动量方程中,采用脱体涡模拟方法对临界区雷诺数下受Lorentz力作用下翼型绕流场进行数值模拟,研究分析了电磁力作用系数和攻角对翼型绕流场结构及其升阻力系数的影响机理和规律。结果表明,Lorentz力可以有效地改善翼型周围的流场结构,达到减阻、增升、消涡以及延缓和抑制其失速的目的,因此是翼型的一种有效流动控制手段。     

曲线坐标下平面二维水流计算的代数应力湍流模型

本文对浅水流动的控制方程进行坐标变换，导出了非正交曲线坐标下平面二维水流计算的代数应力模型公式，建立了非正交曲线坐标下平面二维水流计算的代数应力湍流模型。采用实验室连续弯道进行流场验证，给出了速度场、湍流动能、湍流动能耗散率和各应力的分布图，比较了本模型与k-ε模型的湍流动能和湍流动能耗散率在各断面上的分布，结果显示了本模型定量上的正确性。     

三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择

研究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响,分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算,分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。结果表明,当流体流过圆柱表面时,圆柱表面出现的与流速方向相反的负压力差区域使流体从圆柱表面分离,引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,从而在圆柱表面产生周期性波动的升力,同时在圆柱后近流场区域形成回流区。研究还发现,LES法对圆柱体的受力以及流场时均速度特性的模拟效果要优于κ-ω模型与SST模型;相较于前人利用浸入边界法得到的模拟结果,LES法的模拟精度也有了较大提升;同样,通过对瞬时流场涡量等值线图的分析,并与已有的模拟结果进行对比,发现LES法不但可以从整体上表现出漩涡的周期性脱落,而且对流场中不同位置的、复杂的小尺度湍流涡泄也描述得非常细致,得到的自由分离剪切层长度与湍流涡泄的卷曲度更符合湍流涡泄的特征。所以,在亚临界区,LES法对湍流的模拟效果相对较好。     

带自由表面后向台阶流的数值模拟研究

后向台阶流是工程领域中一类常见的流动现象,也是流体力学中复杂剪切流动的一个典型例子。针对自由表面对后向台阶流场的影响,在总结前人研究成果的基础上,本文利用VOF方法追踪自由表面,采用realizable k-ε紊流模型封闭控制方程,建立立面二维数值模型,对带自由表面后向台阶流进行了模拟研究。模拟得到4种特征雷诺数工况下,台阶后纵向流速、紊动能、耗散率、边界压力值和水面流速的沿程分布。模拟结果与原型实验观测结果吻合较好。根据模拟结果,对台阶后流场随特征雷诺数变化的规律以及自由水面对台阶后流场分布、漩涡结构和压力值的影响进行了分析讨论。     

三维动波浪壁流动的数值研究

本文用ＡＬＥ方法对二、三维动波浪壁边界层流体运动进行数值模拟，并由流动的速度场，涡量场和压力分布了波涡相互作用的机理，动波浪壁边界层的流动特征和明显的减阻效应。数值结果表明了ＡＬＥ方法和动网格系统对劝波浪壁边界层流体运动是一种有效的数值方法。     

绕水翼超空化流发展及其旋涡特性的实验研究

为深入了解超空化流场结构特性,利用数字粒子图像测速(DPIV)和高速全流场显示技术,观测了绕hydronautics水翼的超空化流动涡量场。采用空化流场中的空化泡作为示踪粒子来显示流动结构。结果表明:在超空化的不同发展阶段,流动涡量场呈现不同的分布特征:随着空化数的降低,上下涡带逐渐靠拢,并向后延伸、拉直;下涡带随空化区域内汽相和水汽混合相分布的不同而发生明显变化:空穴形成阶段的下涡带基本稳定;在两相共存阶段,汽相和水汽混合相的频繁转换使得下涡带的起始位置和形状发生剧烈的变化;而在超空化完全发展阶段,下涡带又趋于稳定,且起始位置移至水翼后部。在整个超空化阶段,汽相和水汽混合相之间存在着较大的速度梯度;与来流方向相比,垂直于来流方向的速度脉动要大得多。     

基于改进控制方程的土石坝溃坝洪水演进数值模拟

基于常规二维浅水方程的改进,建立适应于不规则边界的浅水流动有限体积法,在水平项和垂直项的自由水面相对高度进行分裂后的守恒性改进控制方程。对土石坝进行二维溃坝洪水演进数值模拟,并通过对典型算例验证改进控制方程可行性。     

双射流流动结构实验研究

应用PIV实验方法对由直射流和同心的环状旋转射流组成的双射流流场进行了测量，并分析研究了流场的速度和旋度变化规律。分析表明，双射流等速核长度较小，仪约为5倍喷距；随喷距的增加其多股射流特性逐渐减弱，其主要原因为直射流和旋转射流在交界面上很强的剪切作用；旋转射流的径向发展因受直射流吸附作用的影响而减小，相应直射流速度在喷嘴轴线上的衰减则增加。在4-6倍喷距间的旋转射流速度突然下降和相应位置处旋度场的涡环都显示该处可能存在较强的空化现象，而大大提升双射流的能力。     

同轴套管间涡旋流动及强化传热数值模拟

相对旋转两同轴套管间的涡旋流动,能够带来二次流强化传热传质作用,在航空、水处理、生态保护、生物工程和膜分离等领域都具有广泛的应用价值。本文使用Fluent软件,对同轴套管间涡旋流动及传热特性进行数值模拟,考察了内管转速、内外管壁面温差等操作参数变化对同轴套管间流体传热性能的影响,分析了涡旋流动与传热效率之间的关联关系。模拟结果表明:内管转速增加在流场中形成泰勒涡,涡流扰动增大了高温壁面与流体间的热流密度,增强了流体传热效率。增大内外管壁面温差,也可加强流体传热性能,但其强化作用不及内管转速的强化作用显著。受流场中泰勒涡影响,流体速度、温度及热流密度沿轴向的分布都呈正弦状周期性波动,在相邻两涡交界面处,流体传热性能最好,在涡中心处的传热性能最差。     

壁湍流标度律的实验研究

本文利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层中的脉动速度结构函数及标度律进行了实验研究。实验是在动量损失厚度雷诺数Reθ=3069下测量平板湍流边界层的二维瞬时速度场。利用在动量损失厚度雷诺数3069下测得的数据,对多种脉动结构的标度律进行了研究,结果表明流向脉动速度u’的统计结构量均存在明显的标度律,且标度指数与sL标度律基本吻合,只是随尺度的不同而略有不同,且呈现一定的规律性。