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。     

浅水层流射流大尺度涡流场特征数值研究

在密度均匀的浅水流体中,由于流体的上下边界作用,会抑制动量源流动的垂向传播发展,形成类似分层流体中偶极子涡的准二维大尺度涡结构。该文通过数值模拟手段,以圆形喷管射流模拟动量源,对层流动量源在浅水条件下生成准二维大尺度涡结构的流场特性进行了研究。数值研究中,为考虑浅水流体上边界自由面的影响,设置了空气层;流体的下边界层设置为固壁条件;同时还考虑了不同的雷诺数影响。研究结果针对流场中射流主流轴向速度分布、过射流轴线的水平断面和自由表面速度场和涡量场进行了分析。结果表明,由于上下边界的存在,主流轴向速度分布关于中心轴非对称,而仅在水平断面上保持轴对称,这与无界射流的情况相差较大。同时,过射流轴线的水平断面和自由表面流场具有较高的相关性,这表明大尺度涡的流动显示出很强的二维流动特性。进一步对上述两个平面的涡量场进行分析,发现流场的平均涡量与时间幂次成正比关系,而且三个不同雷诺数下平均涡量的增长和衰减规律是基本不变的。     

水垫塘内淹没冲击射流中的大尺度涡结构及其特征

高坝下游水垫塘消能与防护问题目前尚未得到妥善解决。本文应用现代紊流理论的观点，对水垫塘内的复杂流动结构进行了系统的研究，对主射流区的大尺度涡体和壁射流区的紊动涡体的拟序结构进行了分析，从紊流力学的角度对脉动压力的起源及水垫塘内水体能量的转移与耗散做了机理性解释，为高坝下游水垫塘的消能与防护的进一步研究提供了理论依据。     

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。     

外区相干结构动脉特性的研究

本文通过对光滑边壁，沙粒加糙和沙波渠床条件下的水流结构的观测，发现边壁对水流结构的直接影响，可达ｙ＾＋≈１００，并得到湍流边界外区的相干结构，虽然存在横向涡纵向涡和垂向涡，但主要表现为大尺度横向涡的形成，发展和衰变过程。通过试验，测出横向涡的形成，维持，衰变各阶段的距离出现的周期特性。     

基于第三代涡识别方法的极地邮轮自航流场中的涡结构分析

在船舶航时产生的流场中，涡结构是无处不在的。自2017年兴起的Liutex方法对流体的局部刚体旋转进行了详细阐释，其中包括局部旋转轴和旋转强度，据此，涡量可分解为刚体旋转和纯剪切，可从流体运动中提取出刚体的旋转部分。对于不同的研究对象，第三代涡识别方法Liutex无需调整阈值，此外，Ω_R方法还可识别强度不同的涡结构；通过使用Liutex方法，可以较为准确地描述各种涡的重要特征量，如涡核中心、涡流边界及绝对强度等。该文通过使用不同的涡识别方法，分析了极地邮轮自航流场中船体、舵周围以及旋转螺旋桨所产生的涡结构。     

湍流边界层外区相干结构对异质悬浮粒子运动的作用

湍流边界层外区的相干结构主要表现为大尺度横向涡。本文针对横向涡的特性,提出了横向涡的概化模式。而后对横向涡中单个异质悬浮粒子的运动进行了数字模拟,对粒子的尺度与密度,横向涡特性及小尺度运动对悬浮粒子运动的影响进行了探讨。     

平衡冲刷坑内水流结构的数值研究

本文利用大涡模拟方法，对三峡溢流坝下游平衡冲刷坑内的二维流场结构进行了数值模拟，探讨了射流在冲坑水垫中的扩散规律和流谱结构，分析了冲坑底流速和压力的沿程分布及坑底不同测点脉动压力的统计特征，并与试验结果进行了比较。在数值模拟中，采用了弱压缩流的控制方程，用贴体座标技术进行了网格生成。     

环空流体吸入式自激振荡脉冲射流大涡模拟研究

发展新型破岩钻井技术对于促进油气田高效开发具有重要意义,高压水射流是提高破岩钻井效率的一个重要手段,脉冲射流是一种高效射流形式.为了充分利用井底水力能量,提出了一种环空流体吸入式脉冲射流的技术构想.基于自激振荡原理设计了相应射流调制工具,并对工具的流场和动力学特性进行了大涡模拟研究.研究结果分析揭示了环空流体吸入式自激振荡脉冲射流调制的机理,并发现合理的水力结构可以在振荡腔内实现局部负压,使得环空流体被吸入,参与调制生成高效脉冲射流.与非吸入式脉冲射流相比,吸入式脉冲射流振荡更加剧烈,破岩能力更强.研究结果得到了实验验证,为实际钻井工具的研制和相关工艺技术的开发提供了依据.     

丁坝绕流冲刷的数学模型及验证

研究河道中障碍物附近的绕流冲刷问题,预测水流流场和床面形态,是进行成功设计的重要依据。已有的研究成果由于通常采用封闭型紊流模型,不能充分描述丁坝下游大尺度涡漩结构的非恒定流动。封闭型紊流模型是以恒定再循环单元来描述这类流场的,尽管它在研究冲刷的形态和幅值上还有某些不足之处,但仍不失为一种研究绕流冲刷的有效手段。本文提出了建立在点涡方法基础上的流场模型,该模型能够描述丁坝下游大尺度涡漩随时间变化的物理过程。     

LARGE-EDDY SIMULATION OF THREE-DIMENSIONAL VORTICAL STRUCTURES FOR AN IMPINGING TRANSVERSE JET IN THE NEAR REGION

The three-dimensional vortical structures for an impinging transverse jet in the near region were numerically investigated by means of Large-Eddy Simulation (LES). The LES results reproduced the skewed jet shear layer vortices close to the jet nozzle and the scarf vortex in the near-wall zone, in good agreement with the experimental observations. Different vortical modes in the skewed jet shear layer close to the jet nozzle were identified depending upon the velocity ratio between jet and crossflow, namely changing from an approximately axisymmetric mode to a helical one with the velocity ratios varying from 20 to 8. Moreover, the scarf vortex wrapped around the impinging jet in the near-wall zone showed distinct asymmetry with regard to its bilateral spiral legs within the near region. And the entrainment of the ambient crossflow fluids by the scarf vortex in the near-wall zone was appreciably influenced by its asymmetry and in a large part occurred on the surface of the spiral roller structures in the course of spreading downstream.     

横流中射流及其温度标量输运大涡模拟

将动力拟序涡黏性亚格子应力模型拓展到温度标量亚格子模型中,数值模拟了横流条件下有、无温度标量场作用的射流,得到的横流条件下浮力射流的温度和速度分布与Anwar的试验值吻合一致。在此基础上,分析了有、无温度标量场作用下射流回流区域大小和射流轨迹线特性,对比分析了回流区域内涡心和分离点处湍动能和耗散率、拟涡能以及边界层处拟序结构等湍流特性。计算结果表明:温度场的作用使射流的回流区域增大,射流速度轨迹线高度增加,回流区域内湍流的湍动能增加,边界处拟序结构的周期性不如无温度场时明显。     

含沙水流中水力机械过流部件表面波纹的成因探讨

在含沙水流中运行的水力机械，其过流部位易受泥沙磨损，本文以边界层理论为基础结合Ｋｅｌｖｉｎ－ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ旋涡稳定性理论，对湍流边界层中颗粒的运动进行了分析，并提出了两相湍流边界层中决定颗粒运动规律的简化流动模型，即小扰动下连续分布的的相干大涡结构与颗粒的相互作用模型，数理分析表明，模型能较地描述水力机械过流部件表面鱼鳞坑或波纹状破坏轮廓的生成和发展过程。     

EXPERIMENTAL STUDY ON THE VORTEX FORMATION AND ENTRAINMENT CHARACTERISTICS FOR A ROUND TRANSVERSE JET IN SHALLOW WATER

The vortex formation and entrainment characteristics for a round transverse jet in shallow water were experimentally investigated by means of a combination of LIF flow visualization and PIV measurement. A scarf vortex wrapped around the main body of the jet is formed in the near-wall region due to the interaction between the resulting wall jet and sufficiently shallow crossflow, with some more or less unsteady flow properties and with spreading ranges as functions of both the velocity ratio and the water depth within the near field. The entrainment of the ambient crossflow fluid into the jet main body is closely associated with the time-evolving features of the shear layer between the jet and surrounding fluid as well as the induced vortical structures near the wall. In the case of slight impingement upon the wall, the interaction between the jet shear layer and the weak, unstable scarf vortex gives rise to an appreciable local entrainment enhancement, confined in the near-wall region in the vicinity of the stagnation point. While in the case of intense impingement upon the wall, the well-organized and stable scarf vortex gives rise to a greatly enhanced entrainment and a greatly increased lateral spreading rate nearly throughout the overall near field as compared to the conventional wall jet. In addition, the entrainment of the ambient crossflow fluid by the scarf vortex in this case occurs largely on the surface of the unique spiral roller structure by itself due to the presence of smaller and unorganized eddies, and accordingly the scarf vortex is likely to keep its spiral roller structure steadily to a relatively great downstream distance within the near field.     

基于POD方法的圆型喷口射流速度场结构分析

大空间建筑中分层空调系统喷口送风射流运动卷吸会造成热量自上部非空调区向下部空调区转移,这是导致空调系统负荷增加的原因之一。本文搭建圆型喷口射流运动盐水模型实验台,利用粒子速度测量系统(PIV)提取喷口卷吸剪切层附近流场速度矢量场信息,借助特征正交分解方法(POD)剖析剪切层内的相干结构及其能量分布、竖向与横向速度特征值比例,为后期研究喷口卷吸运动引起的大空间对流转移热量提供实验与理论参考。     

射流冲刷试验研究(之二)

根据室内试验结果 ,建立了一个能够统一表达圆形喷嘴和矩形喷嘴射流强度的公式 ,建立了由射流产生的冲刷坑的几何尺度与射流强度间的关系。对试验中发生的喷嘴临界提升高度从理论上分析了存在的合理性。依据分析建立的喷嘴在临界提升高度和最大提升高度之间的冲刷坑尺度与射流强度、倾角和提升高度间的关系能够较好地描述试验结果。     

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。     

NUMERICAL INVESTIGATION ON OSCILLATING FLOWSPAST A HALF CIRCULAR CYLINDER ON A PLANE

l.INTRoDUCTIoNTheunsteadyflowpastabluffbodyhasreceivedagreatdealofattentionowingmainlytoitstheoreticalandpracticalsignificance.Foranoscillatingflowpastacircularcylinder,thetwoparametersgoverningthedevelopmentoftheflowaretheReynoldsnumber,de-finedbyRe=2U,R/v,WhereU,isthemaximumvelocityoftheambientflow,visthekine-maticviscosityandRistheradiusofthecircularcylinder;andtheKeulegan-Carpenternum-ber,definedasKC=U,T/2R,whereTistheoscillationperiod.Todescirbethisproblem,earlierstudiesofviscou…