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。     

类-1湍流边界层时平均壁面垂向速度普适解析律

湍流边界层普适统计规律的探索一直是湍流研究中的重要课题之一.该文在前人成功获得零压梯度平板湍流边界层流向速度普适规律的基础上,对壁面切应力仅为流向坐标函数的类-1湍流边界层,采用时-空间平均摩擦速度为尺度,根据壁面律研究中所获得的经验,设计构造了反映垂向速度边界层特征的指示函数(Indicator Function,I...     

湍流边界层流向-展向平面中发卡涡的涡迹特征

研究湍流边界层精细流动结构特征,有助于建立流动结构特征与壁面摩阻、流噪声之间的关联,从而为湍流边界层减阻降噪机理的深层次研究奠定基础。该文应用PIV(粒子图像测速)技术,对平板湍流边界层中发卡涡在流向-展向平面的涡迹特征进行研究。利用PIV瞬时速度场,捕捉到明显的低速条带,通过统计分析获得对数层范围低速条带间距随壁面法向距离的变化以及雷诺数的影响规律。同时,通过涡识别准则,提取在流向-展向平面内长低速条带两侧的反向漩涡带,揭示了发卡涡包与长低速条带的内在关系。此外,还研究了流向-展向平面发卡涡涡腿间距随壁面法向距离的变化规律以及雷诺数的影响。     

基于IB-LBM的圆柱尾流与壁面湍流之间的涡旋相互作用

该文使用IB-LBM研究了二维槽道中圆柱的尾流与壁湍流之间涡的相互作用。在壁面处出现边界层,同时由于边界层的不稳定性在壁面边界附近产生二级涡。边界层通过"ejection"过程向外喷发涡旋结构。尾流与湍流边界层之间相互作用形成的偶极子远离壁面,最后由于黏性耗散作用而消失。最终,涡旋相互作用的稳定状态出现涡街和弱的边界层。在壁面附近直接级联能谱的标度行为是k~(-3),其表示涡度拟能向小尺度移动;在远离壁面的二维湍流的逆级联能谱是k~(-5/3),这意味着能量向大尺度移动。     

沟槽张角对流体减阻机理的数值模拟研究

为了研究边界层涡结构对沟槽壁面摩擦阻力的影响,该文利用FLUENT软件对湍流状态下沟槽壁面进行数值模拟计算,分析了90°、120°和150°三种不同张角下沟槽壁面的减阻效果,获得了不同张角的沟槽结构对减阻效果的影响规律。结果表明:沟槽内形成的旋涡结构可以有效减小沟槽布置区域法向速度梯度,减弱流层间剪切作用,增加条带结构稳定性,湍流猝发频率降低,从而使壁面摩擦阻力降低。当来流速度v=25 m/s,沟槽张角β=90°时,可取得最佳减阻效果。在沟槽结构布置区域,流向涡的涡头上扬角度变大,上扬和下扫强度减弱,有效减小了摩擦阻力;同时,沟槽结构改变近壁区速度分布,使流向涡密度减小,从而减小壁面摩擦阻力。     

V型沟槽尖峰形状对减阻效果及流场特性影响的数值分析

采用雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层流动和黏性阻力,研究了V型沟槽尖峰形状对减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响.计算结果表明,沟槽尖峰处的圆角半径越小其减阻效果越好,最大减阻率可达6.6%;沟槽斜面中下部的壁面应力随着圆角半径的减小而降低,但尖峰处的局部壁面应力会随之而增大.沟槽尖峰处生成的二次涡是产生并影响减阻效果的根本原因.     

重力场下平板边界层内气液两相流动数值分析

通气减阻技术因具有降低能耗和环境污染小等效果,在工程领域内得到广泛关注。为研究重力场中气相在平板湍流边界层内流动演化过程及由此产生的减阻效应,该文耦合连续表面张力(CSF)的VOF多相流模型和标准k-?湍流模型,求解非定常RANS方程,对边界层内气液两相流动进行数值模拟。通过计算结果与实验结果的对比,验证了数值方法的有效性;进而对不同通气流量和来流雷诺数下,气泡当量直径、近壁区空隙率及流动减阻率进行定量分析。结果表明:减阻效应与近壁区空隙率密切相关;来流雷诺数和通气量的提高,均能增强减阻效应。     

近壁圆柱绕流的壁面积沙现象机理分析

针对近壁圆柱绕流过程中出现的在平板壁面积沙现象用数值模拟方法进行了机理分析。应用标准k-ε湍流模型和流函数-涡量法分析了不同间隙比（圆柱与壁面间的距离对圆柱直径之比）下的尾流特性，得到圆柱表面升阻力和平板壁面压强脉动。结合流动显示的染色粒子图方法，进行了详细的分析并提出近壁圆柱绕流过程中在圆柱下游平板壁面形成沙粒线的可能机理。     

应用RNG k-ε湍流模式数值模拟90°弯曲槽道内的湍流流动

本文将Yakhot与Orszag提出的RNGk-ε湍流模式与壁面律相结合,应用于90°弯曲槽道湍流流动的数值模拟.计算在任意非正交曲线坐标系下进行.并采用非交错网格有限体积方法求解三维不可压N-S方程.文中给出了详细的计算结果,并与实验结果进行了比较,结果表明,RNG k-ε湍流模式能够有效地模拟有曲率影响的湍流流动.     

雷诺数对近壁面圆柱绕流和壁湍流相互作用结构特性的影响

该文采用流动显示和PIV对近壁面放置圆柱的流场进行了精细测量,重点研究了不同雷诺数下近壁区圆柱绕流与壁湍流的相互作用规律、尺度演化规律及标度律特性.当雷诺数从10 600降至4 800时,波数能量级串标度行为呈现从-5/3至-1变化规律.而联合概率密度分析发现随雷诺数的下降,大尺度结构出现的概率降低,而雷诺数在5 60...     

加热对竖置平板水边界层影响的实验研究

本文用流场显示，电视录像与测量局部摩擦阻力同时进行的方法，研究了加热对竖置平板水边界层流态及摩擦阻力的影响，实验发现在流场湍度１％的水洞中，模型前部壁面的加热有效地延迟了水边界层的转捩，延长了层流区长度，相应地斑生成频率下降，处于转捩区的测力板上的平均摩擦阻力明显下降，处于层流区测力板上的摩阻略有减小，而处于湍流区侧力板上的摩阻略有增大，实验中还观察了模型头部加热引起层流分离现象。     

方腔热对流大规模数值模拟及其软硬湍流特性

该文对二维Rayleigh-Bénard(RB)热对流进行了大规模并行DNS模拟计算。计算中采用了上海超级计算机中心的1024个节点,获得了Pr?0.7,Ra?5×107―8×1011范围内一系列的计算数据和结果。研究结果发现:在二维RB热对流中存在不同的流态,当Ra小于6×108的流动状态为软湍流状态,Ra大于6×108为硬湍流状态;在软湍流状态大尺度环流(LSC)和角区旋涡保持相对稳定,LSC内涡量很小,在硬湍流状态,角区旋涡从边界层内脱落,进入到LSC中随之一起运动,且在LSC内存在大量的小涡旋;并且软湍流和硬湍流在传热效率上具有不同的标度率。     

波状床面消力池的流速分布和壁面阻力系数

根据S.A.Ead和N.Rajaratnam(2002)对波状床面消力池流速、边界层厚度和壁面阻力的试验成果,通过对试验资料的分析,研究波状床面消力池断面流速分布和最大流速沿程变化的规律;根据边界层理论,研究波状床面消力池边界层的发展和壁面阻力系数的变化规律。研究表明:波状床面消力池的断面流速分布具有相似性和分区性,断面流速具有同一分布规律,各断面以最大流速为界,将其分为边界层区域和混合区域,在边界层区,流速沿垂线不断增大,在混合区,垂线流速不断减小;消力池的最大流速沿程逐渐衰减;波状床面消力池的边界层厚度远大于光滑壁面的边界层厚度;壁面阻力系数大于光滑壁面的阻力系数。提出了断面流速和沿程最大流速的计算公式和波状床面消力池边界层厚度和壁面阻力系数的计算方法。对所提出的公式与S.A.Ead和N.Rajaratnam(2002)的试验成果进行了对比分析,验证了计算方法的正确性。     

角区湍流场的实验测量和数值模拟

本文首先对角区湍流场作了详尽的测量，包括平板壁面和翼型表面上的压力分布，角区流场在来流，绕流以及尾流共十个横截面上的平均速度，脉动速度，湍动能和Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力，然后应用拟压缩性方法，在曲线坐标系下求解Ｎ－Ｓ方程选取了Ｂ－Ｌ湍流模式，对角区湍流场进行数值模拟。最后把计算结果与实验结果进行了对比，二者符合较好。     

二维曲壁扩压流道紊流边界层计算及试验研究

本文利用边界层理论对二维曲壁扩压流道内部的气流流动规律进行了初步的研究。主流流场的计算采用了时间推进有限面积元方法,然后用BOX差分格式对边界层方程进行数值求解,并且在紊流切应力模式中考虑了壁面曲率的影响,由此得到流道两壁上边界层流动沿流动方向上的发展规律,最后通过三个不同来流条件的实验测量,对理论计算和分析进行了验证。结果表明:沿凸壁面的边界层流动与沿凹壁面的边界层流动具有不同的发展规律,凸壁面上的压力分布比四壁面情况下要平缓些,最大压力梯度出现得也更迟,此外,凸壁画上的壁面局部阻力系数也比相应的凹壁面为低,这说明了凸壁面上的边界层流动比较稳定。对于壁面曲率比较大的弯曲流道来说,在边界层的计算中应考虑到曲率的影响。     

各向异性对无切变边界层与轴对称应变湍流特性的影响

本文运用湍流快速畸变理论对各向异性条件对无切变边界层及轴对称应变湍流特性的影响进行了探讨，对无切变边界层，所进行扮析与实验资料表明，此时各向异性的影响在于增加纵向紊动强度及减小横向紊动强度，但其对垂向紊动影响甚小，对轴对称应变湍流，本文也对紊动强度与雷诺应力随向各异性条件的变化进行了分析。     

壁面对并列双圆柱尾迹影响的实验研究

用压强传感器和PIV对近壁并列双圆柱尾迹频谱和涡结构进行了测量,来研究壁面对其尾迹特性的影响.实验在循环水槽内进行,雷诺数为1696(基于圆柱直径D),壁面边界层厚度为6.6D.两个重要的特征参数T/D和G/D(T为两圆柱中心间的距离,G为下圆柱与壁面间的距离)分别为:T/D=1.151和1.604;G/D=0～1.811.结果显示,对于T/D=1.151,当G/D为0.302～1.811时,两圆柱尾迹表现为base-bleed流动模式,随着G/D的增加,尾迹强度逐渐增强,尺寸逐渐减小.对于T/D=1.604,当G/D大于临界值时出现biased流动模式,随着G/D的增加,两圆柱的尾迹尺寸以及上圆柱的斯特鲁哈数St变化很小;当G/D小于临界值时,随着G/D的减小,两圆柱的尾迹尺寸都逐渐减小,上圆柱的St逐渐增加.     

壁面微结构流动控制技术的减阻机理研究

为了研究壁面微结构流动控制技术的减阻效应及其产生的原因,利用循环管路系统的方形管道进行了压降测定试验,并利用粒子成像测速仪测量了边界层内部结构和对应的参数。试验采用了沟槽和肋条两种不同类型的微结构壁面,每种形状的微结构各有3种不同的结构尺寸。试验研究结果表明:在一定的无量纲宽度s+范围内,6种不同的微结构壁面都具有减阻效果;减阻率随着s+的增大,呈现先增大后减小的趋势,其中沟槽壁面2的减阻效果最好,最大减阻率为9.90%;壁面微结构通过影响流场内部的涡结构、湍流脉动、雷诺切应力和平均流速等使得不同壁面微结构具有减阻效果。     

微气泡降低平板阻力的研究

本文根据计算结果,研究了边界层中的微气泡对平板表面摩擦阻力的影响。建立了含有微气泡的平板边界层方程,并采用一种简单的混合长度模型和有限差分方法对该方程进行了数值计算。分析和讨论了某些参数变化对微气泡降阻的影响。计算结果表明,在一定条件下,湍流边界层的表面摩擦阻力可降低60％左右,其数量级和趋势与国外实验结果相比大体上一致。另外,本文对微气泡降阻机理提出了自己看法。     

平板扰流片高度对壁面压力分布的影响

在风洞中研究了扰流片高度和底部间隙对平板扰流片引起的底板壁面压力分布的影响。用电子扫描阀测量的压力分布结果表明，底部没有间隙时，扰流片高度的增加不影响扰流片前后分离点、再附点以及主涡相对位置的变化；而下游回流区二次涡的相对高度随着扰流片高度的增加而增加，导致该区域无量纲压力系数绝对值减小。底部相对间隙在0.8～2.0之间时，扰流片高度小于边界层厚度时的壁面平均压力比扰流片高度大于边界层厚度时小30%左右。底部间隙对各种扰流片引起的壁面压力分布的影响趋势完全相似。