展向周期振动的平板近壁湍流结构研究

通过直接数值模拟(DNS)对壁面作展向周期运动的槽道湍流进行研究,建立了槽道湍流数据库.通过改变振幅大小和振动周期,可以使壁面阻力明显减少.根据计算结果分析了减阻率和振动参数的关系.利用减阻后近壁湍流拟序结构的变化,研究了壁面展向周期振动减阻的内在机理,揭示了三种减阻过程中涡结构对近壁流体的上抛、下扫运动以及条带结构的影响规律.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

热分层湍流直接模拟的高精度算法和数值分析

该文发展了高阶精度有限差分格式的直接数值模拟方法,并将其成功地应用于带有自由面的热分层槽道湍流问题的计算,与低阶精度格式相比,高精度格式有着更宽的低耗散波段,对中高波数分量有较好的模拟能力。该文直接在非均匀网格上采用Lagrange多项式插值构造迎风偏置格式,克服了传统二阶格式在网格变化剧烈时精度损失的缺点,提高了在近壁区的计算精度。对三维槽道湍流以及带有自由面的热分层湍流的流场和温度场的统计特征、脉动特征以及能谱进行了分析,进一步验证了高精度差分方法对热分层剪切湍流问题直接模拟的有效性。总体上讲,该格式精度高,对高频非物理振荡有抑制作用,可以适应变化的空间网格,有效地模拟复杂湍流流动结构,并正确地揭示其流动机理.     

条纹薄膜减小湍流阻力的试验研究

本文从湍流边界层的相关结构出发，探讨了条纹薄膜减少湍流边界层阻力的机理，通过平板模型的水洞试验，研究了条纹薄膜的减阻作用。试验结果表明，条纹薄膜具有明显的减阻效果，最大降阻量大约为１０％。     

肋条减阻

随着世界上能源消耗的不断上升，使人们不得不认真考虑如何有效的保护有限的能源，探求节约能源的新技术和新方法。湍流减阻就是在这种应用背景下提出在新课。经过二十多年的努力，特别是湍流理论的发展，使得湍流减阻理论和应用得到了突破性的进展。就减阻技术讲，有肋条减阻、聚合物减阻、大涡硫碎减阻、吹气和吸气减阻、微气泡减阻等，这些减阻技术一个共贩考虑，就是要控制边界层内的湍流结构，特别是拟序结构，减少湍能的耗损以     

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...     

电磁力对湍流边界层相干结构的影响

利用一组铷-铁-硼强铁磁体和电极组成的电磁极阵列,在海水平板湍流边界层中产生具有一定穿透深度的电磁力,实验研究了行波式洛伦兹力（Traveling—Wave-Like Lorentz Force）对湍流边界层快慢条带的影响,氢气泡流动显示表明在电磁力的影响下,湍流边界层底层快慢条带相干结构出现间距是平均值2～3倍的低速区域,低速条带的统计平均间距明显增大。     

弯槽湍流的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟的方法对弯槽湍流进行了了研究，主要目的是研究流向曲率对湍流流动情况的影响。数值计算的雷诺数Rem-Umh/v=2800,其中Um为流向平均速度,h为弯槽的半槽宽，v为运动粘性系数。结果表明，弯槽凹壁和凸壁对湍流发展有不同的影响，凹壁使湍流加强而凸壁使湍流减弱。相干结构的分析表明凸壁附近上抛和下扫作用明显弱于凹壁，这是造成上述结论的原因。同时，弯槽中出现的Taylor-Gortlor涡造成了流动在展向的不均匀。     

平板边界层转捩中发卡涡演化与流动稳定性的关系

该文通过对平板边界层转捩的直接数值模拟,研究了转捩过程中涡发展到发卡涡以及环状涡链结构的生成、演化直至破碎的全过程。该模拟结果丰富了对发卡涡演化的认识,并符合已有的实验观察现象及对发卡涡演化的一般认识。研究结果表明,流向平均脉动动能存在过饱和现象,该现象可以用环状涡链开始破碎及次破碎使流向脉动逐渐转化为展向和法向的脉动来解释。同时发现,发卡涡的演化情况与壁面摩擦系数、平均脉动动能及流动稳定性分析得到的中性曲线范围的大小之间有着明显的对应关系,可以通过流场中壁面摩擦系数、平均脉动动能的变化及流动稳定性分析的结果预测转捩过程中发卡涡的演化状态。     

仿生非光滑沟槽形状对减阻效果的影响

利用有限体积法对三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算.近壁面区采用B-L两层模型,远离壁面区采用雷诺应力模型.分析了三种沟槽非光滑表面的流场特性,对计算域中心 Z＝3mm平面的速度场和湍流统计量进行了研究,分析了不同沟槽形状对减阻效果的影响,为最佳减阻沟槽设计提供了理论依据.三种沟槽具有相同的特征尺寸,顶点间距 s＝0.1mm,沟槽尖顶到谷底高度 h=0.05mm,与光滑表面相比减阻效果分别为 3.2%、9.1%、9.7%,数值计算结果和风洞与油槽实验结果有较好的吻合.     

Lorentz力对弱导电流体中圆柱受力的影响

电磁力（Lorentz力）可以改变弱导电流体边界层的结构,从而影响物体受力状况。该文将电磁激活板包覆在圆柱表面,置于弱电解质溶液中,从实验上测试并分析了Lorentz力对圆柱所受阻力的影响。为了揭示其影响过程的内在机理,对此现象进行了细致的数值研究,着重讨论了Lorentz力对圆柱阻力的各种组成部分的因素,揭示了Lorentz力主要通过改变圆柱表面涡量梯度及涡量来影响圆柱受力变化的内在过程。结果表明,在一定范围内,随着Lorentz力的增大,圆柱的表面涡量增大,流体分离点后移,表面涡量,阻力的振动幅度减小至零,圆柱所受阻力减小。     

湍流边界层内穿层固粒运动性态的研究

本文对固相为稀相的气固两相湍流边界层流动,假定固粒不影响边界层特性并忽略固粒之间的相互作用,在平均场的意义上,分析了穿层固粒所承受的作用力及其他因素对固粒运动性态的影响,研究了固粒穿越边界层后碰撞壁面时的不同现象,提出了固粒运动性态的分类准则,并且对以磨损为着眼点的气固两相边界层的研究前景进行了探讨。     

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。     

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。     

用谱方法求解N—S方程

湍流研究具有重要的理论和工程意义，谱方法能达到快速收敛、高效和边界层中高分辨率、高精度，用谱方法边界条件处理也方便，谱方法随着数值方法的改善和计算机系统的发展，它在湍流数值模拟中的作用愈加重要，这里介绍了一平直醴道及两个同一圆柱间的三维N-S方程数值求解的谱主京城 平直槽道中在平行壁面的x及z方向上用富氏展开，在法向（y）用契比雪夫多项式展开，与平直槽道相似，在θ和z方向用富氏展开，在法向r用契比雪夫多项式展开，为解N-S方程，在时间方向用Crank-Nicholson格式，非线性项用Adam-Bashforth格式，边界和连续条件精确满足。由平直槽道和二同心圆柱间流动的数值模拟结果表明谱方法是N-S方程数值模拟的有效方法，数值结果与理论结果相符甚好。