近壁流场的热线测速问题

近壁流动或称粘性底层的流动是流体力学重要的研究课题之一,它关系到固体表面和流体之间传热、传质;流动阻力和人工减阻;以及边界层中湍流的猝发和发展等物理机理的研究.本文对本课题的研究现状做了较好的总结,并对今后近壁流动的研究工作提出了自己的看法.     

干扰剪切流动(ISF)和边界层流动及ISF理论在计算流体力学(CFD)中的应用

简述作者提出的干扰剪切流动(ISF)理论、近壁复杂ISF理论、推论和它们在CFD中的应用.ISF是小黏性流体运动中普遍存在的一种基本流动,如驻点流、近壁黏性-无黏干扰流动,干扰可忽略时ISF的黏性部分为熟知的边界层流动.ISF理论揭示了高$Re$数流动计算的最佳坐标系和最佳网格生成.由近壁复杂ISF理论与流体运动方程组及流速在壁面无滑移条件相结合导出一组壁面相容(SC)判据,该判据提供了利用CFD仿真结果判断CFD仿真可信度的理论途径、并为近壁网格、算法和边界处理的改进和三者的更好协调、为湍流模型的评估、改进和发展提供了一种理论途径.      

大涡模拟的壁模型及其应用

大涡模拟是研究湍流的非定常特性的重要方法. 但解析壁面层的大涡模拟所需的计算量与直接数值模拟相当,是大涡模拟在高雷诺数壁湍流数值模拟中所面临的主要困难. 解析壁面层所需的网格尺度与壁面黏性长度同量级,是引起壁湍流大涡模拟计算量增加的主要原因. 壁模型通过模化近壁流动避免了完全解析壁面层,可以显著地降低壁湍流大涡模拟的计算量,是克服上述困难的有效方法. 本文介绍了大涡模拟壁模型的主要类型;详细讨论了常用的壁面应力模型,特别是平衡层模型和双层模型的构建思路和特点;基于近壁流动的特征讨论了应力边界条件的必要性和适用性;指出了壁面应力模型的局限性以及考虑非平衡效应修正的各种方法;讨论了壁面应力模型的研究历史、最新进展和发展趋势,给出了常用的壁面应力模型的分支与发展关系图;并基于Werner-Wengle模型实现了周期山状流的大涡模拟.      

大涡模拟的壁模型及其应用

大涡模拟是研究湍流的非定常特性的重要方法.但解析壁面层的大涡模拟所需的计算量与直接数值模拟相当,是大涡模拟在高雷诺数壁湍流数值模拟中所面临的主要困难.解析壁面层所需的网格尺度与壁面黏性长度同量级,是引起壁湍流大涡模拟计算量增加的主要原因.壁模型通过模化近壁流动避免了完全解析壁面层,可以显著地降低壁湍流大涡模拟的计算量,是克服上述困难的有效方法.本文介绍了大涡模拟壁模型的主要类型;详细讨论了常用的壁面应力模型,特别是平衡层模型和双层模型的构建思路和特点;基于近壁流动的特征讨论了应力边界条件的必要性和适用性;指出了壁面应力模型的局限性以及考虑非平衡效应修正的各种方法;讨论了壁面应力模型的研究历史、最新进展和发展趋势,给出了常用的壁面应力模型的分支与发展关系图;并基于Werner-Wengle模型实现了周期山状流的大涡模拟.     

壁湍流相干结构和减阻控制机理

剪切湍流中相干结构的发现是上世纪湍流研究的重大进展之一,这些大尺度的相干运动在湍流的动力学过程中起重要作用,也为湍流的控制指出了新的方向.壁湍流高摩擦阻力的产生与近壁区流动结构密切相关,基于近壁区湍流动力学过程的减阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力,但是随着雷诺数的升高, 这些控制方案的有效性逐渐降低.近年来研究发现, 在高雷诺数情况下外区存在大尺度的相干运动,这种大尺度运动对近壁区湍流和壁面摩擦阻力的产生有重要影响,为高雷诺数湍流减阻控制策略的设计提出了新的挑战.该文将对壁湍流相干结构的研究历史加以简单的回顾,重点介绍近壁区相干结构及其控制机理、近年来高雷诺数外区大尺度运动的研究进展,在此基础上提出高雷诺数减阻控制研究的关键科学问题.      

利用修正低雷诺数k—ε模型对管道分离流动的数值研究

采用适合于分离流的修正低雷诺数ｋ－ε模型对突扩园管中的流动进行了数值研究，重点是对近壁流动和再附着点附近流动的研究。从理论上证明了所采用的湍流模型既满足近壁渐进行为，又避免了在通过再附着点截面上μｔ恒为０的困难。和已有的实验数据比较表明，所采用的模型对再附点位置及其附近的流动预测能力优于普通低雷诺数ｋ－ε模型。     

固体粒子通过不同倾角槽道的流动特性研究

 透平机械广泛地应用于矿山通风，余能发电. 透平机械内部流 动介质是气体和固体粒子两相混合物. 固体粒子的近壁行为特性要受 到固体壁面的影响. 本文采用了N-S方程和k-ε双方程湍流黏性模型 来计算模拟透平内部的气固两相流动. 模拟结果表明固体粒子在壁面 的反弹受到了固壁存在的明显影响. 获得了固体粒子的近壁行为特性 与固体粒子尺度、通道倾角及流体流速相关的规律.     

壁湍流相干结构和减阻控制机理研究

剪切湍流中相干结构的发现是上世纪湍流研究的重大进展之一,这些大尺度的相干运动在湍流的动力学过程中起重要作用,也为湍流的控制指出了新的方向.壁湍流高摩擦阻力的产生与近壁区流动结构密切相关,基于近壁区湍流动力学过程的减阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力,但是随着雷诺数的升高,这些控制方案的有效性逐渐降     

高Reynolds数下湍流边界层的尺度律

在过去的10多年内,对于高$Re$数零压力梯度湍流边界层,存在着关于平均速度的尺度律以及近壁区流动是否是普适的争论.介绍了这些争论的最近的态势. 看来, 对于这些争论还远不能得出结论.      

气液两相流动与固壁相互作用耦合求解的研究

气液两相流动与固壁相互作用的研究是液滴撞击壁面运动研究的重要基础.以结合了VOF和Level Set两种方法优点的用于气液相界面追踪的复合Level Set-VOF方法和利用唯象分析方法建立的能够反映接触角滞后性及壁面性质对润湿过程影响的壁面润湿模型为基础,提出了气液两相流动与固壁相互作用耦合求解流程,给出了气液两相流动与固壁相互作用耦合求解过程中接触线速度的计算方法及边界条件的确定方法.通过与已有实验结果的对比,对提出的气液两相流动与固壁相互作用耦合求解方法的有效性进行了验证.     

充分发展圆管湍JJL的实验研究

采用粒子数字图像测速(digital particle image velocimetry,DPIV)和定量流动显示技术(quantitative flow visualization,QFV)对充分发展的圆管湍流进行了研究.测量结果和直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)结果进行了比较,结果表明作者开发的DPIV技术取得了满意的精度.在此基础上对圆管湍流的动力学机理进行了研究,分析了上抛和下扫在湍流生成中的贡献以及流动显示结构内的脉动速度分布,测量结果显示在圆管湍流的近壁区存在横向强脉冲现象和流动显示所能观察到的结构为上抛占主导地位的结构.     

槽道湍流展向振荡电磁力减阻的机理研究

对槽道湍流的展向振荡电磁力控制进行了实验和数值研究. 实验通过PIV系统和浮动床阻力测试系统记录近壁区的条带变化和壁面阻力变化. 计算时, 利用谱方法直接模拟电磁力控制下的近壁流场. 实验和计算结果定性一致, 皆表明展向振荡电磁力可以减少壁面阻力, 并使条带倾斜. 计算结果还进一步揭示了电磁力减阻的机理. 电磁力诱导产生的流向涡与壁湍流的相互作用, 在近壁处形成负的脉动展向涡, 该涡将导致流向涡的倾斜和振荡, 从而抑制湍流, 减少壁面阻力.      

液氮过冷流动沸腾数值模拟中的双流体模型

液氮过冷流动沸腾广泛见于各种低温换热设备中.采用双流体模型分析液氮过冷流动沸腾,需要为模型提供适当的封闭方程,用于描述汽液两相间质量、动量以及能量的传输过程,封闭方程的合理性直接决定了双流体模型的准确性.将液氮流动沸腾通道划分为近壁区和主流区,分别介绍液氮核态沸腾壁面上的传热传质机理模型,以及两相流程内汽液之间的相互作用的相间传输模型,建立液氮流动沸腾过程适用的双流体模型,并分析了对模型预测能力具有显著影响的因素,指出存在的问题和解决方案.      

绕栅中水翼空化流动的数值和实验研究

采用数值计算和实验研究的方法研究了绕水翼和栅中水翼的非定常空化流动. 实验采用高速录像技术分别观察了绕水翼和栅中水翼云状空化形态随时间的变化, 测量了升阻力, 并对测量数据进行了频率分析. 计算时空化模型选用了能比较准确描述旋涡空化非定常特性的Kubota模型, 湍流模型采用能准确捕捉流场非定常特性的FBM模型. 计算模型的可靠性用实验结果进行验证. 结果表明, 计算与实验的结果基本一致, 相比绕单个水翼的空化流动, 绕栅中水翼的空穴厚度比较薄, 翼型近壁处的逆压梯度较小, 反向射流的速度较小, 且水汽混合区速度梯度较小, 空穴的脱落周期变长, 平均升阻力系数较小      

CFG桩复合地基沉降影响因素分析

对绕2D水翼无分离流边界层内的初生空化形态进行了实验研究. 采用高速摄像机观测 了空化初生结构的形态，应用2D-LDV测量了空化初生时翼型周围的流动速度分布，并对实 验结果进行了分析. 结果表明：绕水翼无分离边界层内，初生空化结构中空泡伴随 着近壁湍流拟序结构的发生而出现，在初生空化条件下，形成空化涡结构，大量的微空泡产生于发夹 涡结构中，并在涡结构的猝发过程中出现生成---长大---溃灭---反弹---再溃灭的过程. 初生空 化涡结构具有空泡和近壁拟序结构双重特性.     

超声速边界层/混合层组合流动的稳定性分析

利用可压缩线性稳定性理论研究了超声速混合层考虑壁面影响流动时的失稳特性. 基本流场选取了具有不同速度特征的2 股均匀来流,进入存在上下壁面的流道中. 混合层与边界层的距离为1~3 个边界层厚度,其中壁面取为绝热壁. 分析了该流动在超声速情况下的稳定性特征,同时还讨论了不同波角下的三维扰动波的演化特点,并与二维扰动波进行了比较和分析. 研究结果表明,在此流动情况下,边界层流动和混合层流动的稳定性特征同时存在,并互有影响,其流动稳定性特征既有别于单纯的平板边界层,也有别于单纯的平面混合层,呈现出了新的稳定性特征.      

介质阻挡放电等离子体流动控制研究进展

介质阻挡放电(DBD) 等离子体流动控制技术适用于低速工况, 具有结构简单、动态响应快等优点, 受到了国内外学术界及工业界的高度重视. 近20 年来, 很多学者对DBD 等离子体流动控制进行了研究, 在机 理和应用上都取得了很多有意义的结论. 本文首先分析了介质阻挡放电及其气动激励基本原理; 然后分别对近 年来DBD 等离子体流动控制机理和应用研究进展进行了综述, 并总结提出3 个主要气动激励机理; 最后对该 领域今后的工作提出了几点建议.      

自然对流边界层中湍流的发生

自然对流边界层中从层流到湍流的转捩经历了浮力振型、无摩擦振型和黏性振型的三重流动不稳定性相继产生的前转捩过程,以及近壁迅速出现强湍流源,随之平缓地向自模拟的湍流边界层过渡的热转捩过程.浮力振型在修正Grashof数G>40时开始失稳并成为主要振型,在振幅分布中3种振型的临界层位置处出现3个峰值;在G>100时浮力振型消失,无摩擦振型失稳并成为主要振型,振幅分布中在近壁区还出现黏性振型的峰值;在G>170时无摩擦振型经非线性演化在外层形成较弱的湍流,但内层黏性应力仍远高于湍流应力,振幅分布中仅有与黏性振型相应的峰值,在频谱中黏性振型的基频、第一、第二、第三阶亚谐频随G的增加相继出现,此时黏性不稳定波的高频成分已转化为湍流,但低频成分仍按线性规律增长,直至湍流惯性子区开始形成;至G>800时黏性振型消失,并在G=850附近时近壁区出现强湍流源,湍流应力、湍能产生项和近壁湍流热流率剧增.在热转捩后期,湍流应力和湍能产生项明显下降,流动在内外层趋于平衡.     

胀流型流体狭缝流流动增强现象研究

用激光多普勒测速法(LDV)测量了一种胀流型流体——107 胶溶液的狭缝流的速度剖面和近壁速度。在对 Poiseuille’s 流的公式作有关侧壁影响的修正后,将 LDV 的测量结果和总体参量测量结果结合,分析了该流动的增强的迹象和数量。表明用 LDV 详细研究流动增强现象是可行的。     

壁湍流相干结构的教学实验(一)──湍流近壁区相干结构的流动显示

用氢气泡流动显示方法对平板湍流边界层近壁区相干结构的猝发过程进行形象、直观的研究,仔细观察低速条纹的抬升－振荡－喷射－破碎以及高速流体扫掠的细节和完整过程。