基于空间变化展向电磁力的槽道湍流壁面减阻特性研究

槽道湍流空间变化的展向Lorentz力可以有效干扰湍流拟序结构,抑制壁湍流的产生,达到良好的减阻效果。该文以槽道流形成的充分发展的湍流边界层为基本研究对象,利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟(DNS),对槽道湍流空间变化的展向Lorentz力控制和减阻问题进行了研究。传统方法往往直接对湍流进行研究,但由于湍流结构的复杂性,减阻机理不能完全解释清楚。为解决上述问题,提出了Lorentz力对湍流的控制过程实质上是诱导流场与固有流场相互作用。首先分析了诱导流场展向速度分布特点,然后介绍了固有流场典型特征,进而把调制流场和诱导流场、固有流场进行对比,发现调制流场是通过诱导流场与固有流场相互作用实现的。研究结果表明,在优化参数控制下,诱导流场逐渐主宰壁面边界层,这导致了壁面阻力的下降,平均减阻率最高可达39%。     

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。     

弹性管湍流输水减阻的效果评价和应用前景分析

为开发弹性管减阻技术,通过双重管结构,在对弹性管外壁充入几乎与管内压力相平衡的压力空气的条件下,实验考察了弹性管湍流输水的减阻效果。研究结果表明:基于双重管的弹性管减阻特性的评价是可行的;弹性管的壁厚越小,减阻率越大,雷诺数越高,减阻效果越好。使用激光位移传感器对弹性管外壁的脉动振动特性测试表明,弹性管外壁的脉动振动幅度与弹性管减阻率之间存在正相关关系。认为弹性管湍流输水减阻在国内的应用潜力巨大。     

基于拟序结构的离心泵内空泡运动规律研究

从近壁区湍流拟序结构出发,研究离心泵内的空泡运动规律。首先利用空泡的Morrison方程得出了近壁区法向运动速度upx,然后基于拟序结构推导出了空泡在"扫掠"情况下的流向速度upy,最后用两个速度得到了基于近壁拟序结构的离心泵内的空泡对叶轮壁面的冲击角。研究表明离心泵内正是由于近壁区拟序时的"扫掠"作用造成了沙粒对叶轮壁面以小角度的冲击破坏,这与前人的试验观测结果基本吻合。     

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。     

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.     

周期性振荡湍流的壁函数研究和数值实验

目前二阶湍流模式已被广泛运用于湍流的计算中，壁面和主湍流之的近壁区通常采用壁函数来近似计算，目前常采用的壁函数基于流动准稳态和充分发展等条件，对于周期性振荡湍流这类非定常湍流已不适应。本文基于周期性振荡湍流条件。推导了适用于周期性振荡湍流条件的近壁函数。采用Ｋ－ε模式，结合本文推导的周期性振荡湍流近壁函数，计算了一个二维直管周期振荡湍流流场，计算结果表明用本文推导的周期性振荡湍流近壁函数所得结果与     

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。     

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。