气固两相弯管湍流场中圆柱状颗粒取向和沉积特性的研究北大核心CSCD

针对在Reynolds数Re=3000~50000、Stokes数S_(tk)=0.1~10、Dean数De=1400~2800的情况下,长径比β=2~12的圆柱状颗粒流经弯管湍流场时的取向与沉积特性进行了研究.圆柱状颗粒的运动采用细长体理论结合Newton第二定律进行描述,取向分布函数由Fokker-Planck方程给出,平均湍流场通过求解Reynolds平均运动方程结合Reynolds应力方程得到,作用在颗粒上的湍流脉动速度由动力学模拟扫掠模型描述.通过求解湍流场以及颗粒的运动方程和取向分布函数方程,得到并分析了沿流向不同截面和出口处颗粒的取向分布,讨论了各因素对颗粒沉积特性的影响.研究结果表明,随着S_(tk)和颗粒长径比β的增加、De和Re的减少,颗粒的主轴更趋向于流动方向.颗粒的沉积率随着De,Re,S_(tk)和颗粒长径比的增大而增加,所得结论对于工程实际应用具有参考价值.     

近壁湍流脉动的概率分布函数

采用大涡模拟方法,模拟槽道湍流,获得了不同雷诺数情形下的槽道流大涡模拟数据库．在此基础上,获得了流向和垂向脉动速度的概率分布函数,并运用假设检验,分析了其与正态分布的定量差别．进一步计算了流向和垂向脉动速度的偏斜度、平坦度,讨论了二者在粘性子层、过渡区和对数律区的变化．同时,讨论了粘性子层、过渡区和对数律区流向和垂向脉动速度概率分布函数的特点及其与湍流猝发的高速流下扫和低速流喷发事件的关系．最后,分析了雷诺数对流向、垂向脉动速度分布的影响．     

稳定分层流动中湍流统计特性和输运特性的数值研究

采用大涡模拟方法研究了上下两层温度不同的稳定分层湍流,主要对其中的湍流尺度特性、统计特性和湍流输运特性,以及标量场的时空演化进行了分析研究.研究结果表明:浮力尺度沿流动方向先增加然后趋于某个稳定值,剪切越强,浮力尺度越大;翻转尺度沿流向也是逐渐增大,剪切越强,翻转尺度越大;统计特性的分析发现,在较大的区域内温度脉动的平坦因子都偏离Gauss分布,强分层条件下温度脉动的统计特性与速度脉动的统计特性有较明显差别;湍流混合的过程开始于小尺度运动,最后扩展到大尺度运动.     

相互碰撞的圆粒子在竖直通道中沉降的数值研究

采用格子Boltzmann方法,数值模拟了考虑相互碰撞的两圆粒子的沉降,分析了Re数、初始相对位移及通道宽度对粒子沉降的影响．结果表明,在0.1＜Re＜20范围内, 粒子沉降具有周期性．Re数越大,两圆粒子的相互作用越强,粒子横向位移的幅度也越大．在大Re数时,沉降的过程是两个粒子交替领先;在较小Re数时,当后面的粒子接近的时候,领先的粒子被向右侧推了一段后仍会继续领先;对中等Re数,原先在后面的粒子在第一次加速后将取得领先位置并一直保持下去．粒子的初始分布位置对沉降的形态影响不大．管道宽度变化时,粒子总的沉降特性不变,而周期改变,管道越宽,周期越长．     

可压槽道湍流的直接数值模拟及标度律分析

采用基于非等距网格的紧致差分方法对Mach数为0.8,Reynolds数为3300的可压缩槽道湍流进行了直接数值模拟.建立了充分发展的可压缩槽道湍流数据库.该流场的统计特征（如等效平均速度分布,半局部尺度无量纲化的脉动均方根分布）与他人的数值计算结果吻合较好.在此DNS结果的基础上,作者对该流场进行了统计分析和机理研究.得到了可压缩槽道湍流场的高阶统计矩.同时分析了压缩性效应对近壁相干结构的影响机理,认为在可压壁湍流的近壁区,压力在压缩_膨胀上的做功部分吸收了脉动速度的动能,使得可压湍流的近壁速度条带结构更加平整.还对可压缩槽道湍流进行了标度律分析,指出可压槽道湍流中心线附近较宽的区域内存在标度律及扩展的自相似性.认为当Mach数不是很高时压缩性效应对标度指数影响不大.通过数值计算得到可压缩槽道湍流的标度指数.     

完全发展的非对称槽道湍流的标度指数研究

以子波变换为分析工具,研究了完全发展的非对称槽道湍流的局部标度指数和整体标度指数．其中整体标度指数通过正交子波和广义自相似定律得到,其结果表明非对称槽道流动呈现出与对称槽道流极为不同的间歇性,随着壁面距离的增大,横向脉动速度与流向脉动速度呈现出不同的间歇性,而且间歇性并非一直减弱．另外,比较分析了几种不同方法得到的局部标度指数,发现连续子波方法计算局部标度指数并不可靠,对于湍流研究中出现的负局部标度指数的情况需要慎重考虑．     

张量封闭模型与三维取向分布对纤维悬浮槽流稳定性的影响

应用3种不同的纤维方向张量封闭模型,数值模拟了纤维悬浮槽流的流动稳定性问题,从而研究封闭模型和纤维的三维取向分布对稳定性分析的影响．结果发现,采用3种不同封闭模型所得到的流动稳定特性与纤维参数之间的关系是相同的,但采用三维混合封闭模型时,由于纤维的取向与流向的偏差程度较大,所以纤维对流动的不稳定性具有最强的抑制作用．而采用二维混合封闭模型时,由于纤维在平面取向条件下,其轴线整体上趋于呈流向排列,使得对流体的作用削弱,导致纤维对流动不稳定性抑制的作用最弱．     

不可压缩均匀各向同性湍流的统计理论

本文根据均匀各向同性湍流的涡旋结构理论,从Navier-Stokes方程出发,引进了准相似性条件,认为均匀各向同性湍流场在衰变过程中具有相似性,相似性尺度由表征湍流强弱的湍流脉动速度均方差q以及与特征涡旋尺度具有密切关系的湍流广义Taylor微尺度λ所决定,在对均匀各向同性湍流场计算中,假定湍流脉动在空间呈周期性,周期性尺度正比于λ。 本文对脉动速度等物理量用Fourier级数展开,将在物理空间上的计算转化到谱空间上,利用快速Fourier变换,采用前差格式和Leap-frog格式,对不同Reynolds数的均匀各向同性湍流场从衰变后期到前期进行了计算,得出了与实验较符合的结果。     

纤维悬浮剪切湍流中纤维旋转扩散系数的理论研究

对纤维悬浮剪切湍流中纤维旋转扩散系数进行了理论研究．首先建立了流场不同脉动速度梯度间的相关矩函数,然后推导出了纤维旋转扩散系数的表达式,该表达式依赖于特征长度、时间、速度和一个与壁面作用相关的无量纲参数．得到的纤维旋转扩散系数可以应用于非均匀和非各向同性的湍流场,此外还可以推广到三维湍流场,因而为纤维悬浮湍流场的研究提供了理论基础．     

壁湍流多尺度湍涡结构推广的自相似标度律

在水槽中测量了中等雷诺数下平板湍流边界层中的瞬时流向速度的时间序列,验证了Benzi提出的推广的自相似标度律,用子波变换将壁湍流脉动速度分解为多尺度湍涡结构的速度,研究了每一个尺度的湍涡速度结构函数的推广的自相似标度律。主要结论如下:湍流的统计性质是自相似的,这不仅适用于充分发展湍流,而且适用于中等雷诺数和低雷诺数湍流,而且具有相同的标度指数;推广的自相似标度律的适用的尺度范围远远大于惯性子区的范围,可以一直延伸至耗散区的尺度范围;推广的自相似标度律不仅适用于均匀各向同性湍流,也适用于剪切湍流如边界层湍流。     

血液锥形分离杯内血液流动稳定性的边界摄动解

本文首次用边界摄动方法求解了二相同角速度转动的圆锥面间(窄间隙)均质流体的流动,和锥面间流动稳定性,证实了在小轴向Re数、窄间隙血液分离杯中血液流动的稳定性.并进而采用一种新的数学技巧证实了二相同角速度转动的圆柱面间(窄间隙)流动流体动力稳定性. 理论分析得到上海医疗器械研究所实验的证实.     

Mathematical modeling of turbulent fiber suspension and successive iteration solution in the channel flow

The modified Reynolds mean motion equation of turbulent fiber suspension and the equation of probability distribution function for mean fiber orientation are firstly derived. A new successive iteration method is developed to calculate the mean orientation distribution of fiber, and the mean and fluctuation-correlated quantities of suspension in a turbulent channel flow. The derived equations and successive iteration method are verified by comparing the computational results with the experimental ones. The obtained results show that the flow rate of the fiber suspension is large under the same pressure drop in comparison with the rate of Newtonian fluid in the absence of fiber suspension. Fibers play a significant role in the drag reduction. The amount of drag reduction augments with increasing of the fiber mass concentration. The relative turbulent intensity and the Reynolds stress in the fiber suspension are smaller than those in the Newtonian flow, which illustrates that the fibers have an effect on suppressing the turbulence. The amount of suppression is also directly proportional to the fiber mass concentration.     

常数速度梯度时均匀湍流的二元速度关联函数

在湍流脉动速度比较小的条件下,本文得到了富氏变换过后脉动速度方程的解.它所代表的涡旋,在平均速度梯度为小量时,化为具有常数平均速度梯度的、组成后期均匀各向同性湍流场的涡旋和组成后期各向异性湍流场的涡旋.利用不同时刻的这种涡旋解,组成定常的有常数平均速度梯度的湍流场,这个湍流场可以近似地表达槽流和管流近中心区域的湍流场.我们求得了这种湍流场的二元速度关联函数,包括纵向的关联系数f(γ/λ)和横向的关联系数g(γ/λ).并且和均匀各向同性湍流实验中的前期和后期的f(γ/λ)和g(γ/λ)进行了比较.并且弄清楚了速度梯度对关联系数f(γ/λ)所产生的影响,最后还得到了雷诺应力和涡旋粘性系数的表达式.     

MILU-CG方法和绕旋转圆柱流动的数值研究

本文采用以修正的不完全LU分解作预处理器的共轭梯度法(MILU-CG),结合高阶隐式差分格式,改进了作者(1992)提出的基于区域分解、有限差分法与涡法杂交的数值方法(HDV).系统地研究了雷诺数Re=1000,200,旋转速度比α∈(0.5,3.25)范围内,绕旋转圆柱从突然起动到充分发展,长时间内尾流旋涡结构和阻力、升力系数的变化规律.计算所得流线与实验流场显示相比,完全吻合.首次揭示了临界状态时的旋涡结构特性,并指出最佳升阻比就在该状态附近得到.     

速度-涡量法数值求解具有表面吹吸圆柱的绕流问题

用速度-涡量法数值求解了具有表面吹吸圆柱的绕流问题.所得高阶隐式差分方程,采用以修正的不完全LU分解作预处理器的共轭梯度法(MILU-CG),高效解出.研究了雷诺数Re=100时,各种吹吸位置、吹吸强度对圆柱尾流涡旋结构和阻力、升力系数的影响规律.指出,在圆柱肩部的吸气和在圆柱尾部的吹气,可有效地抑制尾流涡旋结构在垂直来流方向上的非对称性,达到减小升力的目的.对在圆柱肩部吸气的情形,合适选择吸气强度,还可有效减小圆柱在来流方向上所受的阻力.     

Evolution of the Fiber Density in Biological Tissues

An important challenge in the field of biomechanics is to understand and to model the properties of fibrous tissues. We consider a matrix-fiber composite for which the matrix microstructure and its mechanical properties are taken to be constant. The initial fiber distribution is assumed to be unstructured and the mechanical properties of the fibers evolve during deformation. Further we assume that the fiber creation rate is constant while the fiber degeneration is stretch-dependent. In particular, this study investigates the change of the fiber orientation density when a sudden simple shear is applied to the material. The fiber orientation density depends on the current deformation, the history of the deformation, and the deformation state of the fibers at the time of their creation. (© 2014 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

纤维悬浮槽流空间模式稳定性分析

采用扰动的空间发展模式而非通常的时间发展模式,对含有悬浮纤维的槽流进行了线性稳定性分析。建立了适用于纤维悬浮流的稳定性方程并针对较大范围的流动Re数及扰动波角频率进行了数值求解。计算结果表明,纤维轴向抗拉伸力与流体惯性力之比H可以反映纤维对流动稳定性的影响。H增大使临界Re数升高,对应的扰动波数减小,扰动空间衰减率增加,扰动速度幅值的峰值降低,不稳定扰动区域缩小,长波扰动所受影响相对较大。纤维的存在抑制了流场的失稳。     

大小涡旋分开考虑的模式理论

近年来,k-ε模式普遍流行,但它是一种梯度形式的模式理论。由于湍流涡旋的衰减时间极长,在一般的流动问题中,上游产生的大涡旋或附近产生的大涡旋在到达当地时还远远没有衰减掉,因此会对当地的流动产生很大的影响。根据不可逆热力学理论的基本原理,必须准平衡、准定常和小偏离的情形下,才能使用梯度形式的流和力的关系式。一般说来这对大涡旋是并不满足的,所以k-ε模式的应用有着很大的局限性。本文根据湍流的实际情况,把湍流脉动分成大涡旋和小涡旋两个组成部份,并且把大涡旋部份再分成局部产生的和上游流来或扩散过来的两个组成部份,这样就得到了由三个部份组成的湍流模式理论。