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.     

带自由表面的后向台阶起动流的流场模拟

对雷诺数Re=1350带自由表面的后向台阶起动流进行数值模拟,得到其自由表面、再附着长度以及台阶后分离涡涡心位置随时间变化的规律,并进一步讨论了自由表面的波动和台阶后大尺度涡结构的产生、发展及溃灭的过程对再附着长度的影响。     

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。     

分水器二维湍流数值模拟与分析

为解决水系统中分水器的主要综合性能问题,采用计算流体力学理论,对分水器按实际尺寸进行了二维数值计算,研究了分水器压强小于1.25MPa,入口水流Re小于4.73×104的正常工作情况下分水器内部速度、压力、水头损失率随人口Re变化规律。计算结果表明:分水器中的速度分布在第一个分路口前不是标准的"抛物线形状";在每个分路口后速度逐级降低,降低规律明显;最后分路口后有漩涡区。分水器入口Re为2.37×104时,分路口入口右侧靠近壁面受水流冲击产生剪切应力较小。不同入口Re的分水器内动压分布相似,动压大小与分水器入口Re有关。不同入口Re的分水器分路出口水头损失曲线相似,分路1水头损失率最大,分路4为最小值;在分水器中流道形式、壁面糙度一定的情况下,减小局部阻力损失较好的方法就是降低入口Re。计算结果为分水器制造和为供水系统的阻力计算提供了基础数据。     

在低中高三种Re数下圆管入口流的有限元分析

圆管入口流问题的研究已有很长历史,但理论结果与实验结果不能很好地符合。本文用改进的Newton-Raphson方法线化由Navier-Stokes方程导出的有限元方程,用波阵法求解线化后的方程组。最后在0～800的Re数范围内得到了速度场及入口长度,并给出了描述入口长度随Re数变化关系的拟合公式。数值解与实验结果的比较是令人满意的。本文还对简化Navier-Stokes方程(SNSE)与完整Navier-Stokes方程(CNSE)在求解本问题过程中的一致性作了数值研究,得出了当Re≥80时CNSE和SNSE结果一致的结论。     

台阶突扩三维粘性流动数值模拟

利用三维粘性流动数学模型，研究了台阶突扩流动的三维特性。不同的雷诺数Re情况下，计算所得的流态、流速和压力分布与B.F.Amarly等的试验和计算结果相吻合，表明所建立的三维粘性流动数学模型具有较强的模拟能力和较高的计算精度。     

后向台阶流动研究综述

综述近年来后向台阶流动研究的进展及现状。对研究台阶后再附着点位置、时均流动的漩涡结构、起动涡、雷诺应力和剪切层中大涡结构等重要成果进行了归纳；对大涡模拟在后向台阶流动中的研究状况进行介绍；对现有的研究方法及存在问题进行分析，并指出了进一步的研究方向。     

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。     

台阶溢流坝过流掺气减蚀问题的研究

根据大朝山水电站表孔减压模型试验资料,结合原型观测有关资料,对台阶溢流坝掺气减蚀问题进行了分析研究。结果表明,利用表孔宽尾墩+台阶面的过流形式,可以解决台阶面大单宽过流掺气减蚀问题,台阶面水流近底掺气浓度最小在5%以上。高坝试验结果还表明,坝高增加20 m,台阶面水流掺气浓度沿程分布规律不变,即该掺气减蚀方法应用范围可推广至坝高131.0 m的台阶溢流坝。     

高速列车气动噪声的计算研究

通过对高速列车气动噪声产生的关键部位进行简化抽象,对其产生的噪声进行了数值分析。该文着重讨论了两个主要的简化模型,即二维后台阶问题以及三维圆柱绕流问题。对后台阶问题进行数值模拟时采用了NLAS和LES两种不同的方法,并同实验值进行了比较。对三维圆柱绕流问题则直接采用NLAS方法耦合FW-H声音传播方程进行了数值模拟。以此对高速列车气动噪声的机理进行了分析,并对适合于高速列车气动噪声计算的方法进行了选择。     

应用PIV进行二维后向台阶流流动特性的研究(1)二维后向台阶流的旋涡结构的研究

利用PIV技术，对二维后向台阶定常流的瞬态速度场进行了测量，得到层流至湍流情况下定常流流场中旋涡的生成、发展和演化的现象和规律。本文分析了各种情况下旋涡结构特点、讨论了与时均流场和自由剪切层的区别，还给出了二维后向台阶流的拓扑结构。     

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。     

复杂旋转回流 PIV 速度整场实验研究

复杂旋转回流流动的实验测量研究中,最受关注的是子午面上的速度分布,流动的复杂性对实验测量提出了较高要求,如测点数目多,对流场干扰限制严等。本文从PIV(粒子图象速度场测量)速度场测量技术的工作原理出发,分析了复杂旋转流动子午面上速度场测量中的双曝光时间间隔,示踪粒子的选取问题,得到了封闭圆柱空腔内旋转流动子午面上速度分布PIV实验测量速度场。实验测量结果可以清楚地观测到随着雷诺数的逐步增加,旋转流动流态的变化以及旋涡破裂现象的出现、发展以及消失的过程。     

PIV MEASUREMENTS OF THE NEAR-WAKE FLOW OF AN AIRFOIL ABOVE A FREE SURFACE

The near-wake flow of a NACA0012 airfoils mounted above a water surface were experimentally studied in a wind/wave tunnel. The main objective of this study is to investigate the influence of the free surface on the structure of the airfoil trailing wake. The flow structure was measured with different ride heights between the airfoil and free surface using a Particle Image Velocimetry (PIV) system. The Reynolds number based on the chord length of the airfoil was about 3.5×103. For each experimental condition, large amount of instantaneous velocity fields were captured and ensemble-averaged to get the spatial distributions of mean velocity and mean vorticity, as well as turbulence statistics. The results show that the flow structures of the airfoil wake varies remarkably with the change in the ride height.     

动水环境中有限宽窄缝湍射流的水力特性研究

本文采用粒子图像测速(PIV)系统，在分析了水中粒子跟随性的基础上，对动水环境中多种喷口长度和流速比情况下的有限宽窄缝湍射流近区流场进行测试，并结合数值模拟结果分析讨论了动水环境中有限宽窄缝湍射流的近场三维流动特性。在实验观测的流速比范围内，射流势流核长度随着流速比的增加而增大并逐渐趋近于平面自由湍射流的势流核长度，雷诺数对射流的发展轨迹影响很小，射流发展主要由流速比控制。同时，给出了射流背流面逆流区长度与流速比、喷口形状因子之间的关系。     

MEASUREMENT OF BUBBLE-BUBBLE INTERACTION DEPENDED ON REYNOLDS NUMBER USING STEREOSCOPIC BUBBLE-TRACKING TECHNIQUE

1.　INTRODUCTIONBubble and bubblyflowsplaya significant rolein many industrial processes, such as chemicalplants, bio reactors, nuclear power plants, bubble driven circulation systems used in metal processingoperation for steel making, ladle metallurgy andthe secondary refining of aluminum and copper.Air bubbles near a free surface or cavitation bub bles can be used in naval applications. It is alsoknown that micro bubbles have a potential to re strict the frictio…     

旋流排螺装置内水流特性数值模拟

旋流排螺装置借鉴旋流排沙的原理,通过装置内产生的螺旋流使水和钉螺分离。为了探明装置内水螺分离机理,必须研究其流场全面图景。采用雷诺应力模型(RSM),结合流体体积函数(VOF)方法对旋流排螺装置的水气两相流进行三维数值模拟研究,并分析研究二次流分布特性。计算的自由水面和三维流速分布均与试验结果吻合较好。计算结果表明:切向流速分布呈现强迫涡特征,流速随半径的减小而减小;隔板能够抑制边壁处向上运动的水流、减弱携钉螺溢出的二次环流,对钉螺的有效排除有着关键作用。研究成果可为控制涵闸渠道钉螺扩散,改进旋流排螺装置提供技术技撑。     

应用PIV进行二维后向台阶流流动特性的研究(2)二维后向台阶流起动流的研究

利用PIV技术，对二维后向台阶起动流的瞬态速度场进行了观测。得到层流至湍流情况下起动流的一些运动规律。本文分析了流动中起动涡等旋涡的运动和发展特征。分析了起动流过程中再附着点的位置、起动涡等旋涡涡心的位置等的变化规律。