定优胶溶液狭缝喷射减阻实验研究

定优胶具有比柔性聚合物更优越的抗剪切效果, 是一种新型高分子聚合物减阻添加剂, 目前对其研究仍相对缺乏. 这里通过开展定优胶流变和管内狭缝喷射减阻实验, 分析了流变特性与减阻行为之间的联系, 并从其喷射扩散角度解释了其减阻规律变化的原因. 实验结果表明, 定优胶溶液为剪切变稀流体, 会发生黏性到弹性转变, 且转变点与温度无关, 仅随浓度增加而前移; 定优胶减阻率随水流速度(雷诺数)呈先增后降趋势, 但随喷射速率单调递增; 相较于喷射纯水, 定优胶溶液在流场中扩散缓慢, 且喷射速率越高, 壁面附近集聚越明显. 同时, 定优胶溶液喷射减阻的变化与其扩散规律相吻合: 当流速较小时, 定优胶溶液扩散不充分, 呈非均匀聚集态, 未能充分发挥其湍流抑制效果, 减阻较弱; 随流速增加, 水流的剪切拖拽作用增强了定优胶的扩散均匀程度, 进而提升湍流抑制效果, 减阻率上升; 但当流速过大时, 定优胶的快速扩散造成其浓度被大幅稀释, 且近壁区过大剪切率可能已造成部分长链分子断裂, 致使减阻效果下降.      

可压缩均匀剪切湍流的二阶矩模拟

基于对可压缩湍流中脉动压力场和脉动速度场特征的理论分析以及ＤＮＳ结果,建立了可均匀剪切湍流中压力－变形率关联的压缩性修正模式,应用这个模式,加上Ｓａｒｋａｒ等建立的脉动体胀率项（ｄｉｌａｔａｔｉｏｎａｌ ｔｅｒｍｓ）的模式,预测可压缩均匀剪切湍流随时间的发展,所得雷诺应力各是性张量的平衡值与Ｂｌａｉｓｄｅｌｌ等的ＤＮＳ数据非常一致。这个模式准确地预测出均匀剪切湍流中压缩性导致的雷诺应力结构的“流向     

超疏水沟槽表面通气减阻实验研究

减阻是解决航行体提速和增程的主要技术途径之一, 对缓解日益严峻的能源危机极为重要. 在重力式管道实验系统中, 测试给出了湍流状态下不同通气速率时减阻率随雷诺数及沟槽无量纲间距的变化规律和气膜铺展状态, 对比分析了单纯超疏水表面与超疏水沟槽表面上通气时减阻效果的差异.实验板材质为无色亚克力, 沟槽结构采用机械方法加工, 并在表面喷涂超疏水涂层. 结果表明, 持续通气能解决超疏水沟槽表面气膜层流失问题, 实现气膜层长时间稳定维持; 恒定雷诺数下, 随通气速率增大, 超疏水沟槽表面气膜铺展更趋均匀, 减阻率上升; 由于通气速率影响气膜横向扩展能力, 致使恒定通气速率下, 减阻率随雷诺数的变化呈现两种模式; 在固定雷诺数及通气速率时, 减阻率随沟槽尺寸的扩大先增后减, $S^{+}\approx 76$时减阻率最大. 分析其原因在于, 沟槽结构增大沾湿面积的同时, 显著提升了通气状态下超疏水表面气膜层的稳定性, 因而展示出与超疏水表面和沟槽表面均不相同的减阻规律, 且效果更佳.      

超疏水沟槽表面通气减阻实验研究

减阻是解决航行体提速和增程的主要技术途径之一,对缓解日益严峻的能源危机极为重要.在重力式管道实验系统中,测试给出了湍流状态下不同通气速率时减阻率随雷诺数及沟槽无量纲间距的变化规律和气膜铺展状态,对比分析了单纯超疏水表面与超疏水沟槽表面上通气时减阻效果的差异.实验板材质为无色亚克力,沟槽结构采用机械方法加工,并在表面喷涂超疏水涂层.结果表明,持续通气能解决超疏水沟槽表面气膜层流失问题,实现气膜层长时间稳定维持;恒定雷诺数下,随通气速率增大,超疏水沟槽表面气膜铺展更趋均匀,减阻率上升;由于通气速率影响气膜横向扩展能力,致使恒定通气速率下,减阻率随雷诺数的变化呈现两种模式;在固定雷诺数及通气速率时,减阻率随沟槽尺寸的扩大先增后减, S~+≈76时减阻率最大.分析其原因在于,沟槽结构增大沾湿面积的同时,显著提升了通气状态下超疏水表面气膜层的稳定性,因而展示出与超疏水表面和沟槽表面均不相同的减阻规律,且效果更佳.     

高分子溶液壁湍流减阻机理的TRPIV实验研究

利用高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV)对回流式水槽中低浓度高分子溶液壁湍流的减阻机理进行实验研究。通过对比分析高分子溶液和纯水平板湍流边界层在相同来流速度下的平均速度剖面、湍流强度和雷诺应力,发现高分子溶液的壁面摩擦阻力减小了21.77%,并且其缓冲层增厚,按对数律外移,雷诺应力减小;高分子聚合物主要在近壁区起到抑制湍流脉动的作用,而在主流区的作用不太明显。用流向局部平均多尺度速度结构函数和相干结构条件采样方法,检测并对比了高分子溶液和水的壁湍流相干结构“喷射”和“扫掠”事件中的脉动速度、展向涡量、雷诺应力等物理量的二维拓扑形态,发现高分子溶液近壁区相干结构在猝发时的脉动速度减小,涡量受到抑制,雷诺应力明显减小,说明高分子溶液湍流近壁区相干结构“喷射”和“扫掠”的强度变弱,猝发频率降低,动量和能量的输运减弱,揭示出高分子溶液减阻的重要机理。     

逆向涡对超疏水壁面减阻影响的TRPIV实验研究

超疏水壁面由于具有减阻和自清洁功能而成为国内外减阻和海洋防污等研究领域的热点之一,而20世纪湍流中相干结构的发现为湍流的控制指出新的方向,尤其近壁区涡结构对摩擦阻力贡献很大.利用高时间分辨率粒子图像测速技术,研究了超疏水壁面(SH)以及亲水壁面(PH)湍流边界层中正负展向涡的空间分布特征,研究逆向涡对超疏水壁面近壁区流动结构的影响和超疏水壁面的减阻机理.首先利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)和逆向涡,实现了准确识别涡心并排除小尺度涡的干扰;然后根据检测到的顺向涡和逆向涡流线分布图,发现逆向涡始终处于正向涡的上游和下方,并且对正向涡的进一步发展起抑制作用;最后对两种壁面边界层中逆向涡数量以及出现概率进行对比,发现具有减阻效果的超疏水壁面边界层中出现更多逆向涡.说明逆向涡可抑制上方顺向涡与壁面的强烈剪切,并使靠近壁面的流体加速,从而产生减阻效果;超疏水壁面中涡结构具有更大的β角,使其更好地阻碍了发卡涡头附近强烈的喷射和扫略;超疏水壁面逆向涡出现概率明显大于亲水壁面.这些结果表明:超疏水壁面表现出的减阻特性(Reδ≈13 500,减阻5.8%)与两板产生逆向涡的差异有关.     

基于单个压电振子的湍流边界层主动控制

利用安装在壁面上的单个压电振子周期振荡,采用开环主动控制方案,实现了对平板湍流边界层相干结构猝发的主动控制和壁湍流减阻.根据不同的输入电压幅值和频率,完成了10种工况的实验.在压电振子下游2mm处,用热线风速仪和迷你热线单丝探针,精细测量湍流边界层不同法向位置瞬时流向速度信号的时间序列,分析了在Re_?=2183压电振子振动对湍流边界层平均速度剖面、减阻率和相干结构猝发过程的影响.实验结果表明,施加控制的工况使平均速度剖面对数律层上移,产生减阻效果;压电振子振幅越大,减阻率越高,减阻效果越明显;通过对施加控制前后流向瞬时速度的多尺度湍涡结构脉动动能的尺度分析,当压电振子振动频率与壁湍流能量最大尺度的猝发频率相近时,减阻率达到最大,为25%,说明控制壁湍流能量最大尺度相干结构的猝发是实现壁湍流减阻的关键;通过对比相干结构猝发的流向速度分量条件相位平均波形,发现施加控制的工况中相干结构猝发流向速度分量的波形幅值明显降低,且流向速度在扫掠后期高速阶段迅速衰减,缩短了高速流体的下扫过程,说明压电振子的振动能抑制相干结构的高速流体下扫过程,减弱高速流体与壁面的强烈剪切过程,并使近壁区域相干结构的振幅显著减弱,迁移速度加快,从而减小壁面摩擦阻力.      

边界层对壁面湍流流动高分子减阻的影响

以“粘性”机制为理论基础,近年来在壁面湍流高分子减阻研究中提出了一种拉伸的高分子会产生自洽的等效粘度模型,这种等效粘度随离开壁面的距离而改变.通过等效粘度模型与Navier-Stokes方程的结合,运用雷诺应力模型计算壁面湍流减阻,并与基于高分子有限拉伸的非线性弹性哑铃模型的直接数值模拟结果进行比较,进一步校验了此等效粘度理论.通过肋条破坏槽道流中的边界层,显示了边界层对高分子减阻的影响,结果表明只有形成稳定的边界层,高分子才能有减阻作用.边界层是高分子减阻的首要条件,边界层中的粘性底层和对数率分布区之间的缓冲层可能是减阻的主要影响区域.     

Reynolds数对大攻角细长旋成体绕流滚转角效应影响的数值研究

使用低耗散的Roe格式,数值模拟了Reynolds数(Re)对大攻角细长旋成体绕流滚转角效应的影响.模型头部加了几何小扰动块以引发流场的不对称.在较大的Re数(Re=10 5)下,本文的计算结果与实验是相符的,此时细长体的滚转会导致双稳态、双周期现象,即侧向力随滚转角呈现类似方波形式的双周期变化,方波中侧向力基本保持不变的状态对应于流场的正则态,且两个正则态的侧向力方向相反,方波中侧向力基本保持不变的状态对应于流场的正则态,且两个正则态的侧向力方向相反;而在较小的Re数(Re=4 000)下,如果扰动足够大,细长体的滚转将导致不同的双稳态现象,此时两个正则态的侧向力方向相同,而在较小扰动下双稳态现象不再出现;Re数更小时(Re=1 000),即使在较大的扰动下,双稳态现象也不再出现,侧向力随滚动角仍是连续变化的.本文的计算结果表明,Re数越小,流场对头部扰动的感受性越弱.     

湍流水沙边界层扩散传质浓度和通量的精确解

为探索河道及消落带水沙传质效应对自然水体水质的影响,研究湍流条件下水沙边界层的传质机理,本文引入传质阻抗,在涡旋扩散封闭假设的基础上,通过水沙边界层阻抗分布预测物质浓度分布,数值模拟紊动对水沙边界层扩散传质浓度分布和传质通量的影响。研究结果表明：根据传质阻抗（mass-transfer resistance）分布预测物质浓度分布是研究水沙边界层传质的重要方法;由物质浓度分布推导的传质系数 mh 、剪切速度*u 、施密特数Sc的相互关系式( m 0.0827*h=u Sc?2/3)能为气液边界层传质通量的研究提供理论依据;由泥沙表面到自由水流的传质总阻抗关系式( R′=12.092 Sc u 2/3 T*)可得,总阻抗随施密特数的2/3次幂增长,且总阻抗与剪切速度成反比,即传质阻抗随剪切速度的增加而下降。     

较高Re数圆柱尾流的控制

引入一个窄条作为控制件，在Re=3.0×10 3~2.0×10 4范围内对圆柱尾流进行控制实验。窄条长度与柱体长度相同,厚 度为柱体直径的 0.015~0.025倍,宽度为柱体直径的0.18倍. 窄条的两个长边 与柱中心轴平行, 而且三者共面. 控制参数为窄条位置, 可由间距(窄条到柱轴)比λ/(0.5D)和风向角β (窄 条面与来流的夹角)确定. 采用流动显示和热线测量方法,对控制和未控制尾流的流动状态, 平均速度分布和脉动速度情况,以及作用于柱体和控制件的总阻力进行了研究和比较. 研究结果证明, 当窄条位于柱体尾流中一定区域内时, 可有效抑制柱体两侧的旋涡脱落.有效控制后的尾流湍流度也相应减小. 在不同Re数下,找出了有效抑制旋涡脱落的窄条位置区域, 并用动量积分估计了作用于柱体和窄条上的总阻力与光圆柱阻力的比值及其随风向角的变 化. 对λ/(0.5D)=2.9情况,得到了减阻的风向角区域(β=0°~40°与180°附近)以及最大减阻率32%.以上事实表明，在近尾流局部区域施加小的干扰,可改变较高Re数圆柱尾流的整体性质.     

壁面温度在多参数下对平板边界层的影响研究

为了得到壁面温度在不同来流速度、不同湍流强度条件下对边界层转捩与减阻的影响规律,本文采用Transitionk-kl-ω模型对低来流速度下无压力梯度的光滑平板进行了数值模拟。结果表明,随着来流速度的升高,壁温升高所起到的减阻效果更好,即高来流速度对壁面温度更为敏感。当来流处于中高湍流强度下时,壁温升高能起到推迟转捩的作用,且随着湍流强度的升高,转捩推迟的效果越好,但减阻效果正好相反;当来流处于低湍流强度下时,壁温升高会使得转捩提前发生。壁温升高抑制了边界层内流体的脉动程度,使得层流的稳态不易被破坏,流动更加稳定;同时,壁温升高使得边界层内流体的速度梯度减小,从而降低了壁面摩擦系数,故壁温升高能起到推迟边界层转捩与减阻的作用。     

平面剪切来流作用下串列布置三圆柱流致运动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对Re=100时,剪切来流作用下串列三圆柱体双自由度流致振动问题进行了数值计算.首先,与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后,着重分析剪切率、固有频率比和折减速度三个关键参数对串列三圆柱体结构流致动力响应及流场特性的影响.数值计算结果表明:剪切率、固有频率比与折减速度对结构振幅和运动轨迹的影响较大.随剪切率的增大,上游圆柱最大振幅的变化与单圆柱工况类似.中下游圆柱最大振幅会增大且会出现双向共振现象,同时,发生共振响应区域会扩大.随固有频率比的增大,上游圆柱顺流向锁定区间范围会减小,而中下游圆柱双向锁定区间会扩大.另一方面,均匀来流作用下,结构运动轨迹以"8"字形和不规则形状为主.随剪切率的增大,锁定区间内运动轨迹会由"8"字形转变为"雨滴"形.在大剪切率与高固有频率比工况下,中游圆柱体结构运动轨迹会出现"双雨滴"形状.最后,通过对流场特性的分析,揭示了剪切来流作用下串列三圆柱结构流致运动响应的内在机理.     

HPAM稀溶液在微圆管中流动特性的实验研究

实验研究了部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)稀溶液(水溶液)在内径为10.1 ~325 \mu m石英微管中的高剪切速率(1 215 ~23 120 s ^{ -1} )流动. 结果表明, 聚合物溶液在管径小于100 \mu m微管中的流动具有明显的微尺度效应, 实测流速高于由同种溶液在常规管径圆管中的流动规律所预测的流速. 实测流速与预测流速之间的偏离程度与管径和剪切速率有关: 相同剪切速率下, 管径越小, 偏离越明显; 在小管径微管中, 偏离随剪切速率的增加而减小, 而当管径超过30.7 \mu m后, 偏离不再随剪切速率的变化而改变.      

基于扰动方程的超音速轴对称射流马赫波辐射研究

超音速不稳定波是导致剪切流失稳和转捩的主要不稳定模态,这种模态以马赫波的形式辐射到远场,从而产生强烈的声场。采用线性稳定性理论和非线性扰动方程(NLDE)分析,计算超音速轴对称射流不稳定波的扰动演化(Ma=2.1),对马赫波辐射进行研究,包括马赫波辐射方向、辐射源位置,以及随斯特劳哈尔数的变化情况。研究结果表明,在超音速轴对称射流中,马赫波沿固定方向辐射向远方,不稳定波相位沿另一方向传播,这两个方向相互正交;马赫波辐射源位置位于不稳定波压力幅值最大处;斯特劳哈尔数St越大,马赫波辐射的能力越强,辐射区域越集中。     

平面剪切来流作用下串列布置三圆柱流致运动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对Re=100时,剪切来流作用下串列三圆柱体双自由度流致振动问题进行了数值计算. 首先,与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性. 然后,着重分析剪切率、固有频率比和折减速度三个关键参数对串列三圆柱体结构流致动力响应及流场特性的影响. 数值计算结果表明:剪切率、固有频率比与折减速度对结构振幅和运动轨迹的影响较大. 随剪切率的增大,上游圆柱最大振幅的变化与单圆柱工况类似. 中下游圆柱最大振幅会增大且会出现双向共振现象,同时,发生共振响应区域会扩大. 随固有频率比的增大,上游圆柱顺流向锁定区间范围会减小,而中下游圆柱双向锁定区间会扩大. 另一方面,均匀来流作用下,结构运动轨迹以"8"字形和不规则形状为主. 随剪切率的增大,锁定区间内运动轨迹会由"8"字形转变为"雨滴"形. 在大剪切率与高固有频率比工况下,中游圆柱体结构运动轨迹会出现"双雨滴"形状. 最后,通过对流场特性的分析,揭示了剪切来流作用下串列三圆柱结构流致运动响应的内在机理.      

均匀旋转对圆柱水动力及流动结构的影响

基于格子Boltzmann方法 (LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re=100)圆柱绕流问题进行了数值模拟,得到了转速比从0～10变化下,旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律.使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取,并分析了施加旋转控制之后转速比对流场不同模态和增长率的影响.结果表明,随着转速比增大,圆柱下游流动结构依次呈现出卡门涡街、剪切层、反向剪切层、单侧涡和附着涡5种结构;阻力系数时均值先减小,随后在转速进入单侧涡区间后增大,升力系数与力矩系数的时均值均单调增加,同时,在出现涡脱落的两个转速区间内,水动力出现了明显的波动,且二次失稳时波动幅度更大. DMD的结果表明,圆柱下游的流动结构主要受圆柱壁面的旋转影响而发生改变并产生全新流动模态;旋转会对流动稳定性产生影响:在未充分发展阶段,旋转对流动稳定性的影响不显著,而在充分发展后,各转速下的流场不稳定模态数均远少于未充分发展阶段,随着转速比的增大,流动稳定性会产生不同程度的增强或减弱,且无涡脱落时的稳定性高于有涡脱落时,因此,通过旋转控制抑制尾涡脱落可以有效增强流动的稳定性.     

SHEAR TEST AND FINITE ELEMENT SIMULATION OF POLYURETHANE POLYMER GROUTING MATERIALS1)

通过扭转试验对高聚物注浆材料剪切性能进行试验研究,并在扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM) 下观测了试件断面处胞体形状破坏特征,在此基础上通过有限元数值模拟,对其剪切变形力学响应特征及剪应力分布规律进行了研究。结果表明：密度对高聚物材料的剪切强度及剪切模量影响显著,且随着高聚物材料密度的增加,其剪切强度和剪切模量被显著提升;高聚物材料胞体分布遵循能量最低原理,密度越大,胞体表面积越小,表面能越小,体系越稳定;面心立方体堆砌模型可以较好模拟材料剪切变形行为,且密度越大,拟合效果越好。     

聚氨酯高聚物注浆材料剪切测试与有限元模拟

通过扭转试验对高聚物注浆材料剪切性能进行试验研究,并在扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)下观测了试件断面处胞体形状破坏特征,在此基础上通过有限元数值模拟,对其剪切变形力学响应特征及剪应力分布规律进行了研究。结果表明:密度对高聚物材料的剪切强度及剪切模量影响显著,且随着高聚物材料密度的增加,其剪切强度和剪切模量被显著提升;高聚物材料胞体分布遵循能量最低原理,密度越大,胞体表面积越小,表面能越小,体系越稳定;面心立方体堆砌模型可以较好模拟材料剪切变形行为,且密度越大,拟合效果越好。     

单轴压缩条件下溶蚀岩体力学特性数值试验研究

工程尺度的溶蚀岩体难以开展室内外力学试验，导致溶蚀岩体的力学参数获取存在困难，因此基于岩石矿物含量特征、室内力学试验和岩体结构面特征，采用三维颗粒流离散元法，通过建立等效孔隙型溶蚀岩体模型进行单轴压缩数值试验，进而分析其力学特性和变形破坏机制。研究表明：采用改进平行黏结模型，基于细观矿物特征，通过元胞自动机算法剔除颗粒可建立孔隙型溶蚀岩体模型；加载前期，岩体结构面首先快速破坏而产生以剪切为主的微裂纹；随加载进行，岩块内逐渐产生以拉裂纹为主的破坏，其微裂纹呈指数增加，而结构面微裂纹先激增后趋于稳定；相同轴向应变时，岩块内拉裂纹随溶蚀率增加而增加，而结构面剪切微裂纹减少；岩体的变形破坏分为结构面快速破坏、岩块弹性变形、岩块塑性变形和岩体完全破坏等4个阶段，其破坏形式随溶蚀率增加而从整体均匀性破坏转化为局部结构性破坏；溶蚀使岩体强度降低，溶蚀率与单轴抗压强度和变形模量分别呈反比和负指数函数关系。