圆柱尾迹涡的三维演化及结构特征

应用无粘涡丝运动学理论和局部诱导近似(LIA)方法,以Lagrange观点跟踪涡丝在背景流场中运动,用数值方法研究了中等Re数(≈10~3)下圆柱分离尾迹中Kármán涡和涡辫区涡丝的三维演化的机制和动力学过程,及其结构特征。背景流场考虑为尾迹时间平均速度流场和Kármán涡街流场。初始展向小扰动为指数形式和谐波形式。结果指出:Kármán涡和涡辫区中的涡丝具有展向不稳定性,形成流向涡量。在尾迹的初期输运过程中,表现出有序的大、小尺度涡结构。并进一步分析了其产生的机理。     

低对流马赫数平面混合层的声波产生机理

为了详细揭示低对流马赫数下平面混合层的声波产生机理,基于高精度混合格式,对空间发展的平面混合层的流场结构及其声场特性进行了直接模拟.数值结果描述了对流马赫数为0.4时混合层失稳产生的涡串以及涡发展过程中所存在的各种声源,其中包括常规的单涡四极子声源、双涡以及多涡合并过程产生的四极子声源,另外,还发现因K-H不稳定引起混合层振动而产生的偶极子声源,声波以平面波的形式向周围传播.     

超声速平面混合层小激波的形成与演变

为了揭示超声速混合层中小激波形成机理及其与涡相互作用的演变过程,本文基于大涡模拟（LES）方法,结合五阶精度混合TCD／WENO格式,对超声速平面混合层在对流马赫数为Mc=0．65条件下的流场结构进行了数值模拟,数值结果详细描述了超声速混合层中小激波的形成过程。研究了小激波形成后,随涡运动而产生的变形、脱落及发展过程。同时,对混合层双涡合并过程中,小激波与相邻涡相互作用所产生的变形与演变过程进行了讨论。     

混合层流动拟序结构的大涡模拟

采用大涡模拟方法对空间发展的二维平面混合层进行了数值模拟 ,动量方程采用分步投影法求解 ,亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟 ,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解 ,同时求解了标志物输运方程以实现数值流场显示。模拟结果给出了混合层流动的瞬态发展过程以及流动中拟序结构的发展演变过程 ,成功地模拟了混合层发展中的各种瞬态细节过程 ,如涡的卷起、增长 ,涡与涡之间的配对、合并过程 ,以及大涡破碎为小涡的级联过程 ,为各种以混合层流动为原型流动的射流、尾流等工业流动的控制和优化提供了理论基础。     

不定原点喷嘴射流中流体物理的实验研究

为了能够更好地了解不定源喷嘴（indeterminate origin nozzle）射流中的物理过程，本文应用平面激光诱导荧光技术对一个大尺度的水射流进行了实验研究。流场显示的实验结果表明不定源喷嘴在射流的剪切层引入了蘑菇形反向旋转的涡对。这些涡的矢量方向与射流方向相同或相反，被称为流向涡（streamwise vortex）。由于射流中存在开尔文一亥姆霍兹不稳定，每当一个横向涡（spanwisevortex，即涡的矢量方向与射流方向垂直）从喷嘴脱流时会产生瞬时的低压，该瞬时低压促使向内发展的流向涡对在喷嘴的凹槽处生成。这些涡对在向下游流动的过程中会重组并在喷嘴的尖峰面生成向外发展的涡对。这些流向涡极大地影响了射流的发展。流向涡与横向涡的相互作用促使射流更早地发展成为湍流。由于流向涡同时也在射流中引入了径向的剪切流动，因此导致了更多的湍流生成从而增强了射流与周围流体的混合。     

混合层强化混合的数值研究

受 Ｗａｎｇ ＆ Ｆｉｅｄｌｅｒ（１９９７）的实验的启发，采用高阶精度的差分格式，通过数值模拟的方法，研究了二维混合层及限于两平板间的二维混合层（二维受限混合层）入口处加振动对提高混合层混合效率的作用．计算结果表明：对二维混合层，振动的频率越低，在混合层中产生的大尺度涡结构的尺度越大，在频率很低时，涡具有相似性；对限于两平板间的二维混合层，在一定的振动频率下，混合层中产生的涡较大而且破碎得也较好，这将有利于混合．这一结论与 Ｗａｎｇ ＆ Ｆｉｅｄｌｅｒ（１９９７）的实验观测到的结果是一致的．     

旋翼尾流与地面干扰时地面涡现象的研究

用Ｎ－Ｓ方程对近地飞行时旋翼尾流与地面干扰时产生的地面涡现象进行了数值计算旋翼对流场的作用由分布在特定区域内的动量源项模拟结果表明，旋翼尾流撞到地面后的卷起和轴向流动的拉伸作用是形成地面涡的原因；地面边界层形成的二次分离涡向地面涡内输入（与尾流所携带的涡量）相反的涡量，而使地面涡保持平衡；地面涡的存在和运动使旋翼附近流场大大改变     

超声速尾涡的稳定性分析

从Ｎ－Ｓ方程出发,通过正则模方法,研究了超声速尾涡的绝对／对流不稳定性性质．计算了流动的稳定性特征随马赫数Ｍ,周向波数ｎ．,轴向自由流速度Ｗ０和旋转度ｑ等流动参数的变化规律,找到了绝对／对流不稳定区域的边界．通过比较发现,马赫数的增加使流动由绝对不稳定向对流不稳定乃至稳定转化．在所计算的参数范围,周向波数的增加加速了这一转化过程,而且,轴向速度的增加,同样使流动向着稳定的方向转化．同时还分析了不同旋拧程度的流动受可压缩影响的不同．这些结果对于了解旋拧流动稳定性的物理机理以及进行流动控制都有着重要意义．     

轻载径向滑动轴承中Taylor涡动的产生和影响研究

本文用原始变量法直接求解了三维的Ｎ－Ｓ方程，计算分析了高速旋转有限长圆柱轴承中油膜层流失稳产生涡动的临界Ｔａｙｌｏｒ数及流场、压力场和摩擦阻力。轴承端部泄油量等的变化。结果表明，在有限长同心圆柱轴承中，随着轴旋转速度的提高，轴承磨擦阻力线性增大，油膜层流失稳出现的涡动增加轴承摩擦阻力并减少轴承端部泄油量，油膜层流失稳后，轴承长度方向均匀地排列着一些流体涡，涡动的强度从轴承中间截面向轴承端部逐渐减弱     

不定原点喷嘴射流中流体物理的实验研究(英文)

为了能够更好地了解不定源喷嘴(indeterminate origin nozzle)射流中的物理过程,本文应用平面激光诱导荧光技术对一个大尺度的水射流进行了实验研究。流场显示的实验结果表明不定源喷嘴在射流的剪切层引入了蘑菇形反向旋转的涡对。这些涡的矢量方向与射流方向相同或相反,被称为流向涡(streamwise vortex)。由于射流中存在开尔文-亥姆霍兹不稳定,每当一个横向涡(spanwise vortex,即涡的矢量方向与射流方向垂直)从喷嘴脱流时会产生瞬时的低压,该瞬时低压促使向内发展的流向涡对在喷嘴的凹槽处生成。这些涡对在向下游流动的过程中会重组并在喷嘴的尖峰面生成向外发展的涡对。这些流向涡极大地影响了射流的发展。流向涡与横向涡的相互作用促使射流更早地发展成为湍流。由于流向涡同时也在射流中引入了径向的剪切流动,因此导致了更多的湍流生成从而增强了射流与周围流体的混合。     

用格子Boltzmann方法数值模拟混合层中旋涡的合并过程

用格子Boltzmann方法计算混合层中的流动问题。在流场的入口处加不同频率、振幅和相位的小扰动,观察混合层中旋涡的演进机理,模拟二维混合层中旋涡合并现象。在基本扰动波的基础上,又加入频率为基本波频率一半的亚谐波,得到了两个涡合并的计算结果,当加入的亚谐波频率为基本波频率的三分之一时,得到了三个涡合并的计算结果。这些计算结果与已有文献的结果基本一致,显示用格子Boltzmann方法模拟混合层问题是可行的。     

Vortex structure simulation for supersonic mixing layers using nonlinear PSE method

The method of nonlinear parabolized stability equations (PSE) is applied in the simulation of vortex structures in compressible mixing layer. The spatially-evolving unstable waves, which dominate the vortex structure, are investigated through spatial marching method. The instantaneous flow field is obtained by adding the harmonic waves to basic flow. The results show that T-S waves do not keep growing exponentially as the linear evolution, the energy transfer to high order harmonic modes, and that finally all harmonic modes get saturated due to nonlinear interaction. The mean flow distortion induced by the nonlinear interaction between the harmonic modes and their conjugate harmonic ones, makes great change of the average flow and increases the thickness of mixing layer. PSE methods can well capture the two- and three-dimensional large scale nonlinear vortex structures in mixing layers such as vortex roll-up, vortex pairing, and Λ vortex.     

Effect of Streamline Curvature on Intensity of Streamwise Vortices in the Mixing Layer of Supersonic Jets

The structure of supersonic nonisobaric jets with Mach numbers M_a = 1 and 2 is considered experimentally to find the effect of streamline curvature on the evolution of streamwise vortices in the mixing layer. The spatial development of steady streamwise vortices in the mixing layer of supersonic jets is considered. A method for generation of steady streamwise vortices by applying microroughness elements of controlled size onto the inner surface of the nozzle is developed. Radial profiles and azimuthal variations of total pressure are obtained; the mixinglayer thickness and the curvature of streamlines in supersonic jets are determined. A significant effect of microroughness elements of prescribed shape located on the nozzle surface on the behavior of total pressure in the mixing layer of supersonic jets, as compared to natural disturbances, is obtained.     

Mixing Intensification on the Edge of a Jet by Means of Longitudinal Vortices

The action of an artificially generated spanwise flow in the form of periodical longitudinal vortices on a plane turbulent mixing layer is investigated. It is shown that the disturbances result in a significant increase in the thickness of the mixing region. For two kinds of spanwise flow, namely, vortices whose centers lie in the plane separating the streams and vortices located above this plane, the dependence of the mixing layer thickness on the vortex amplitude and vertical dimension and on the longitudinal coordinate is found.     

An experimental study of the large scale coherent structures in a forced free shear layer

The dynamic characteristics of the large scale coherent structures in a forced free shear layer are experimentally studied by means of flow visualization. The quantitative measurements are acquired by the use of a LDV. It is shown that the development of the coherent structures can be greatly influenced by upstream artificial perturbations and as a result the mixing in the layer can be controlled. Like vortex merging, vortex splitting is also a common evolution pattern in the development of the coherent structures.     

混合层绕流圆柱旋涡脱落的数值研究

对平面混合层绕流圆柱时的旋涡脱落和流动结构进行了数值研究。方法是用一空间、时间三阶精度的有限差分格式解二维不可压Navier-Stokes方程和连续性方程。计算时雷诺数Re取为1000,混合层速度比Ra从0到1,混合层动量厚度θ由0.2到2。     

Momentum transport in a turbulent mixing layer

The turbulent momentum transport phenomena in a two-dimensional mixing layer are investigated numerically by a discrete vortex method. The numerical model and calculations are verified through a comparison with existing numerical simulations and experimental measurements. The main emphasis is placed on the exploration of the detailed time-dependent instantaneous local momentum fluctuations and on the comparison of numerical results with available experimental measurements. The current simulations confirm qualitatively the various trends in the turbulent momentum flux and fluctuating components of the velocity in the mixing layer found with several experimental results. The study shows that similarity exists in turbulent momentum quantities along the axial direction of the mixing layer. The calculations also show a definite correlation between the passage of a large-scale structure and a burst in the turbulent momentum flux. The probability density functions of the fluctuating quantities are shown to be mostly Gaussian-like, with only a few exceptions.     

STUDY OF NON-SUBMERGED GROIN TURBULENCE FLOW IN A SHALLOW OPEN CHANNEL BYLES

采用动态亚格子模式和浸没边界法,对宽浅槽道中的丁坝群绕流的水动力学特性进行了三维大涡模拟研究. 利用丁坝绕流,试验中采用粒子图像测速仪(particle image velocimetry, PIV)测量的试验中自由水面处的时间平均流速和湍动强度数据对模型进行率定,结果表明计算结果与试验数据吻合良好. 丁坝长度与丁坝之间距离的比值L/D对丁坝周围的水流流动形式、湍流强度、涡量分布有显著影响. 在L保持不变并且L/D较大时,丁坝之间的距离D较小,这限制了混合层的发展,因此混合层中的湍动强度和涡量都较小;同时丁坝之间的回流区的流线形式也发生明显变化. 此外,还给出了涡体在丁坝坝头附近产生,发展并向下游输运的动态过程.