肋条湍流减阻机理的研究

本文采用热线实验和大涡模拟数值计算方法,对三角形肋条的局部摩擦阻力和表面流场进行了测量和模拟,并对肋条的减阻机理进行了分析。结果发现,在整体减阻情况下,肋条表面局部摩擦阻力在展向位置分布不均匀,在肋尖附近区域为局部增阻区,在肋底附近为局部减阻区。在此基础上,通过涡动力学分析建立了局部摩擦力和流场涡运动之间的理论关系式,定量得出法向涡量和展向涡量的扩散流率是决定壁面摩擦阻力的两个因素。进一步研究发现,法向涡量和展向涡量的扩散流率主要集中在肋尖及其两侧,使得该区域能量输运和耗散强烈,形成局部增阻区。而在肋底附近,法向涡量和展向涡量的扩散流率较小,涡运动微弱,形成局部减阻区。     

三种形状肋条减阻特性与机理研究

为了探究不同形状肋条的减阻特性的差异及其机理,本文采用CFD软件对V形肋条、间隔三角形肋条以及刀刃形肋条三种比较典型的肋条进行数值计算。通过改变肋条的h/s(肋高与肋间距之比)值,选取常见的h/s=0.5和h/s=1两种比值,探索其对肋条减阻的影响规律;从肋条表面切应力、近壁区湍动能等方面分析了上述三种肋条减阻效果差异的原因。研究结果表明:不同形状的肋条的底部都存在大面积的低阻力区,这是肋条能够减阻的共同原因。低阻力区受壁面高度影响,当肋条高度增加,低阻力区摩擦阻力减小。在肋条突出顶部存在高于平板切应力的高阻力区,肋条减阻效果主要决定于该区域的大小.并且,该高阻力区与湍动能密切相关,通过对湍流的分析即可判断不同肋条高阻力区的摩擦强度。     

非光滑表面湍流减阻的数值模拟研究

本文采用CFD数值模拟的方法对二维光滑平板阻力进行计算,与经典理论公式比较,以验证CFD方法的可靠性.从已有的肋条减限的实验结论出发,对带有肋条结构的平板与光滑平板的阻力进行CFD计算,经对比带肋条平板的阻力减小18.39%.分析数值模拟结果的速度场.涡量场等,初步得到肋条结构减阻的机理.肋条顶部产生的两个方向相反的旋...     

过渡流下近壁插入圆柱对壁面强化传热的影响

本文利用基于复合网格系统的计算方法,对Re=50~1200的近壁插入圆柱流场进行数值模拟,研究过渡流状态下在壁面附近插入圆柱对下游壁面传热强化的影响。并基于低速循环水槽流动实验台,采用粒子成像测试法(PIV)对Re=100~500的近壁插入圆柱流场进行可视化实验研究,验证了数值模拟方法的可靠性。研究结果表明:近壁插入圆柱流场在Re=100时进入过渡流状态;Re直接影响圆柱尾流中周期性涡脱和壁面涡岛的发生位置及其洗刷效应的大小,随着Re的增大,洗刷效应明显增强,因而,过渡流范围内Re越大,圆柱下游壁面传热强化越大。     

粗糙壁面湍流边界层流动和拟序结构的大涡模拟研究

采用LES方法和虚拟粗糙元模型,,模拟了Rer=180有粗糙壁面的充分发展槽道湍流流动.从流向平均速度、脉动速度均方根、雷诺剪切应力、脉动速度相关,以及瞬时近壁准流向涡结构等多个方面,对粗糙壁面湍流边界层流动和拟序结构进行了分析.结果表明,粗糙壁面处雷诺剪切应力、脉动速度均方根以及近壁条带平均距离和准流向涡尺度都大于光滑壁面,且随着粗糙元高度的增加这种趋势更加明显.本工作为进一步研究颗粒在近壁区域的弥散规律奠定了基础.     

槽道湍流展向振荡电磁力控制的实验研究

对槽道湍流的展向振荡电磁力控制进行了实验研究,讨论了展向振荡电磁力对宏观流场、近壁湍流结构以及壁面阻力的影响.采用谱方法进行了数值模拟的对比.数值模拟和实验结果均表明展向振荡电磁力能够使近壁区域的宏观流场产生周期性振荡,并影响壁湍流的条带结构,使其在展向上发生倾斜,从而使壁面阻力减小.     

疏水表面减阻的格子Boltzmann方法数值模拟

采用格子Boltzmann方法的多松弛模型和Shan-Chen多相流模型对雷诺数为100的疏水表面方柱绕流进行了数值模拟, 分析了疏水表面接触角和来流含气率对方柱绕流流场的影响. 研究结果表明: 疏水表面接触角一定时, 来流含气率在一定范围内, 疏水表面具有减阻的能力, 超出这一范围时会出现阻力系数、升力系数升高的现象, 同时在方柱近壁面处伴随涡的形成产生了气团脱落; 当来流含气率处于适当水平时, 接触角越大, 绕流物体近壁面处含气率越稳定, 减阻效果越明显. 分析发现疏水表面减阻的关键在于保证近壁面处气层的稳定性, 此时接触角越大, 减阻效果越明显. 本文从含气率角度出发分析疏水表面的减阻现象, 为进一步探索疏水表面减阻机理提出了新的思路.     

圆柱近尾迹湍流涡结构的直接数值模拟

本文运用谱元方法对圆柱尾流进行直接数值模拟。通过对中等Re数（1000）时的圆柱近尾迹湍流涡结构的演变系统细致的研究,经过长时间流动计算,用速度矢量及相应涡结构示意图显示主涡,二次涡结构的相互作用,显示整个尾迹涡结构在一个周期内的演变过程,获得了在实验中难以清楚观察到的近壁流动特征。本文得到圆柱近壁处二次涡形成有两种不同的机理,并总结出涡的合并所需要的条件。     

过渡流下近壁插人圆柱瞬时流动传热特性研究

为了进一步探讨过渡流状态下,在近壁面区域插入圆柱对壁面传热强化影响的机理,本文利用基于复合网格系统的计算方法,对过渡流范围内Re=500,圆柱处于最佳插入位置,即C/D=0.6时近壁插入圆柱流场的瞬时传热特性进行数值研究。研究结果表明:在壁面附近插入圆柱能够导致圆柱下游壁面产生涡岛,而涡岛对壁面的洗刷效应正是促使圆柱下游壁面传热增强、摩擦降低的主要原因。     

正弦波沟槽对湍流边界层相干结构影响的TR-PIV实验研究

利用高时间分辨率粒子图像测速(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)技术,在不同雷诺数下对光滑壁面和二维顺流向、三维正弦波(two/three dimensional, 2D/3D)沟槽壁面湍流边界层流场进行了实验测量,从不同沟槽对湍流边界层相干结构影响的角度分析了其减阻的机理.对比不同壁面的各阶统计量结果发现:沟槽降低了壁面摩擦阻力,存在减阻效果,正弦波沟槽的减阻率增大.运用相关函数、λ_(ci)检测准则等方法提取了不同壁面湍流边界层发卡涡和低速条带等典型相干结构的空间拓扑形态,结果表明:两种沟槽壁面的相干结构在流向和法向上的空间尺度均有不同程度的减小,且相干结构与主流之间的倾角趋于更小,流体在法向上的运动及结构的抬升受到明显抑制,发卡涡诱导喷射和扫掠的能力降低,从而影响了湍流中能量与动量的输运过程及湍流的自维持机制,且相比于2D沟槽, 3D正弦波沟槽作用效果更为明显.在同一雷诺数下,随着距离壁面法向位置的增加,不同壁面湍流边界层低速条带的展向间距都变宽;但同一法向位置处2D/3D沟槽壁面湍流边界层低速条带的间距与光滑壁面的相比更宽,沟槽的存在有效抑制了低速条带在展向上的运动,使得低速条带更稳定.     

近壁球形颗粒的曳力特性研究

本文研究了球形颗粒在近壁区域内的曳力特性,基于气体动理论方法推导得到了自由分子区内近壁颗粒沿垂直于平壁方向运动时所受曳力的表达式,其计算结果与直接蒙特卡洛模拟结果一致。计算并分析了动量适应系数、壁面温度等参数对近壁颗粒所受曳力的影响规律和机制。当壁面动量适应系数为零时,近壁效应消失;当壁面温度高于气体温度时,近壁效应使得颗粒所受曳力增大;当壁面温度低于气体温度且颗粒速度较小时,可能出现曳力方向与颗粒运动方向相同的情况。     

振荡翼型非定常气动特性数值模拟

本文采用URANS方法对NACA0012翼型在不同振荡方式下的非定常气动特性进行了数值模拟,并与实验和文献中DNS计算结果进行对比,结果显示:URANS方法较好地显示出翼型的俯仰振荡气动特性和近壁面速度随攻角变化规律,但未能模拟出前缘分离泡的生成和发展;对于沉浮振荡翼型,URANS方法能够模拟出尾涡的结构和尾涡间的相互作用。文中还对低频和高频振荡翼型的气动特性进行了分析。     

基于蚯蚓背孔射流的仿生射流表面减阻性能研究

为了减小流体对固体壁面的阻力, 基于蚯蚓生物学特征, 对蚯蚓背孔射流特性进行分析, 建立仿蚯蚓背孔射流的仿生射流表面计算模型, 采用SST k-ω 湍流模型对仿生射流表面的减阻特性进行数值模拟, 同时对数值模拟结果进行实验验证, 并以此研究了仿蚯蚓背孔射流表面的减阻机理.结果表明, 在一定条件下, 仿蚯蚓背孔射流的仿生射流表面具有较好的减阻效果; 在同一射流方向角下, 随着射流速度的增加, 减阻率逐渐增大; 在同一射流速度下, 随着射流方向角的增加, 减阻率呈先减小后增大的变化趋势; 数值模拟与实验均在射流速度为1 m·s^-1、射流方向角为-30°时达到最大, 分别为8.69%, 7.86%; 射流表面改变了原有光滑壁面的边界层结构, 对壁面边界层进行了有效的控制, 减小了壁面的剪应力, 降低了壁面边界层的速度.     

确定分布的展向Lorentz力调制下的槽道湍流涡结构

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究.讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后,流场的特性和涡结构的特性,并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论.研究发现:1)Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层,该剪切层容易形成流向涡结构;2)在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下,湍流流场仅剩周期分布的准流向涡;3)与未控制流场相比,控制后的流场中,准流向涡的抬升高度大大降低,从而减小猝发强度,使壁面阻力下降.     

湍流槽道内近壁区域脉动速度特性研究

本文采用直接数值模拟方法(DNS)研究了单相槽道流动问题.采用联合密度函数对近壁面区域内脉动速度分量进行了象限分析,同时,对脉动速度进行了概率密度分析及频谱分析,从而对近壁区域内流动的概率事件,速度概率分布及不同频率的涡对速度场的影响有了清晰的认识。研究发现,方向性事件主要集中在对数层以下,低频涡对于流向和法向脉动速度的贡献随着法向高度增加而增大,并且在近壁面上展向速度的脉动在对数层以及黏性底层存在较大脉动强度。     

非平衡凝结超音速蒸汽喷射器RSM模型壁面函数法比较与分析

在考虑水蒸气真实物性和非平衡凝结的情况下,基于雷诺应力模型(RSM),研究了三种近壁处理法对数值结果的影响。讨论了不同壁面函数法对蒸汽喷射器内复杂流动现象的预测,包括激波和壅塞、边界层分离和涡及非平衡凝结。结果表明,在模拟条件下,标准壁面函数法、非平衡壁面函数法与RSM模型结合均可以较好地预测蒸汽喷射器的临界喷射系数Er~*,相对误差分别为-2.1%和-5.7%,但后者收敛性不如前者。增强壁处理过度预测了流场中的旋涡现象,导致流场能量损失被过高估计,得到低于实验值46%的临界喷射系数。     

交叉缩放椭圆管CaCO3污垢特性的实验研究

采用对比实验的方法对交叉缩放椭圆管与铜光管的传热和CaCO3污垢特性进行了研究,并用数值方法模拟了交叉缩放椭圆管的内部流场和壁面剪切力。实验结果表明：交叉缩放椭圆管的换热和抗垢性能均优于在对应状态下的铜光管,这主要是由于交叉缩放椭圆管的内部流场和壁面剪切力的周期性变化所引起的。交叉缩放椭圆管在低流速时污垢热阻渐近值较大...     

壁面换热和压力梯度条件下边界层演化的LES研究

本文采用大涡模拟(LES)方法对壁面换热边界条件下有压力梯度的分离边界层流动问题进行了数值模拟研究,对不同壁面热边界条件下分离边界层进行了统计特性及瞬态流场分析.结果表明:与绝热壁面条件相比,等温冷壁面条件(0.8倍来流总温)下附着边界层内的速度剖面比绝热壁面更加饱满,边界层形状因子降低、分离泡也被显著抑制,其时均分离泡尺寸无论是在流向还是法向均更小;等温冷壁面条件下分离剪切层展向涡脱落的位置提前,展向涡卷起的频率降低,分离剪切层内相干结构尺度整体减小,促使分离边界层转捩加速和再附位置前移。     

主动脉夹层血液两相流动数值模拟分析

本文从血液两相流动的角度出发,针对通过CT扫描图像逆向重构得到的主动脉夹层三维几何模型,应用计算流体力学(CFD)软件进行血液两相流动数值模拟,得到血管壁面压力、壁面剪切应力、血液流速等血流动力学参数,并与血液单相流动的模拟结果进行比较。通过对比发现两个模型计算得到的血管壁面平均压力和平均剪切力变化趋势相似,两相流模型计算得到的壁面平均剪切应更小、血流情况更复杂。同时两相流模型可获得红细胞的分布情况,弥补了单相流模型的不足,这为进一步研究主动脉夹层发病机理提供了理论支持和帮助。     

狭窄通道湍流纵向涡强化换热实验和数值研究

本文采用实验的方法,研究了单面加热矩形狭窄通道内,翼片型纵向涡发生器对流动换热的强化作用.在此基础上,应用大涡模拟的方法对通道内的瞬态流场及其对壁面对流换热的影响进行了研究,并将数值模拟与实验进行了比较.结果表明,通过添加翼片可以在流动中产生涡流,强化壁面边界层与流体的物质和能量交换,并验证了将大涡模拟应用于纵向涡强化换热研究的可行性.