固体颗粒对半球扰动尾迹影响的实验研究

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板层流边界层中半球粗糙元尾迹的影响.实验采集了清水和加入粒径为140μm, 220μm, 350μm聚苯乙烯固体颗粒4种工况下二维速度场信息,基于半球半径的雷诺数为994 (Re_R=RU/υ),固体颗粒的体积浓度为3.0×10~(-5).对比清水和两相工况下的平均速度剖面、湍流强度等宏观统计量,分析固体颗粒对半球尾迹流动宏观特性的影响.分别利用沿流向不同位置的流向脉动速度的二维空间相关系数和法向脉动速度的功率谱密度函数分析颗粒对尾迹结构演化过程及尾迹结构脱落频率的影响.结果发现:与清水相比,回流区随颗粒粒径增大而逐渐增大;颗粒使湍流强度增大,回流区的存在导致在半球后流向位置2R前后区域湍流强度呈现不同变化趋势;颗粒使尾迹结构的流向尺度减小并且随着颗粒粒径的增大先减小后增大;在尾迹结构运动过程中颗粒的存在促进了尾迹结构的周期性加速和减速运动,促进作用随着颗粒粒径的增大先增强后减弱;颗粒的存在促进了尾迹结构的脱落,脱落频率随颗粒粒径的增大先增大后减小.     

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.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)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.      

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.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)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.     

流向磁场作用下圆柱绕流的直接数值模拟

绕流是托卡马克装置中液态包层内常见的流动形态,对流场与热量分布有着重要的影响.本文通过直接数值模拟(DNS),研究了不同磁场强度下$Re=3900$的圆柱绕流,分析了磁场强度对于湍流尾迹的影响.无磁场情况下,直接数值模拟的结果与前人的实验及模拟结果吻合很好.圆柱下游的尾迹中,随着流向距离的增大, 流向速度剖面逐渐从U型进化呈V型, 并慢慢趋于平缓,这表明尾迹中的流动结构受圆柱影响逐渐减小.圆柱后方两侧的剪切层中,由于Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,可以清晰地看到小尺度剪切层涡的脱落.通过对无磁场的计算结果施加流向磁场,本文计算了哈特曼数($Ha$)分别为20, 40和80的工况,以研究磁场效应对于湍流的影响.结果表明磁场较弱时,流动依然呈三维湍流状态.随着磁场增强, 近圆柱尾流区受磁场抑制明显,回流区被拉长,剪切层失稳位置向下游转移.圆柱后方的涡结构由于受到竖直方向洛伦兹力的挤压作用,随着哈特曼数的增加尾迹区域逐渐变窄.相比于无磁场情况的涡结构,由于磁场的耗散作用,相应的涡结构尺度变小.该研究不仅扩展了现有磁场下湍流运动的参数范围,对于液态包层的设计及安全运行同样具有重要的理论指导意义和工程应用价值.      

DIRECT NUMERICAL SIMULATIONS ON THE TURBULENT FLOW PAST A CONFINED CIRCULAR CYLINDER WITH THE INFLUENCE OF THE STREAMWISE MAGNETIC FIELDS1)

绕流是托卡马克装置中液态包层内常见的流动形态,对流场与热量分布有着重要的影响.本文通过直接数值模拟(DNS),研究了不同磁场强度下$Re=3900$的圆柱绕流,分析了磁场强度对于湍流尾迹的影响.无磁场情况下,直接数值模拟的结果与前人的实验及模拟结果吻合很好.圆柱下游的尾迹中,随着流向距离的增大, 流向速度剖面逐渐从U型进化呈V型, 并慢慢趋于平缓,这表明尾迹中的流动结构受圆柱影响逐渐减小.圆柱后方两侧的剪切层中,由于Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,可以清晰地看到小尺度剪切层涡的脱落.通过对无磁场的计算结果施加流向磁场,本文计算了哈特曼数($Ha$)分别为20, 40和80的工况,以研究磁场效应对于湍流的影响.结果表明磁场较弱时,流动依然呈三维湍流状态.随着磁场增强, 近圆柱尾流区受磁场抑制明显,回流区被拉长,剪切层失稳位置向下游转移.圆柱后方的涡结构由于受到竖直方向洛伦兹力的挤压作用,随着哈特曼数的增加尾迹区域逐渐变窄.相比于无磁场情况的涡结构,由于磁场的耗散作用,相应的涡结构尺度变小.该研究不仅扩展了现有磁场下湍流运动的参数范围,对于液态包层的设计及安全运行同样具有重要的理论指导意义和工程应用价值.     

固体颗粒对沟槽湍流边界层影响的实验研究

本文采用粒子图像测速技术(particles image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板湍流边界层中的平壁和沟槽壁面减阻效果的影响. 实验对清水和加入粒径为155 μm聚苯乙烯颗粒的流法向二维速度场信息进行采集, 对不同工况下的平均速度剖面、雷诺应力和湍流度等统计量进行对比, 分析流体在边界层中的行为. 运用空间局部平均结构函数提取了不同工况湍流边界层喷射?扫掠行为的空间拓扑结构并进行比较. 结果发现, 在不同的壁面条件下, 粒子加入后的对数律区中无量纲速度均略大于清水组, 雷诺切应力有所降低, 湍流度有所减弱. 对于不同流场速度下的沟槽而言, 颗粒的加入均降低了壁面附近的阻力, 而颗粒单独作用于光滑壁面的减阻效果并不明显. 加入粒子后的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度下降. 沟槽壁面附近的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度在自由来流速度较大时有所上升, 在速度较小时有所下降. 这表明不同减阻状况下的沟槽均能将大涡破碎成更多的涡, 并且粒子的加入强化了这种破碎作用.      

考虑颗粒转矩的接触网络诱发各向异性分析

颗粒材料的宏观力学行为与接触网络的组构各向异性密切相关, 根据接触点的滑动与否、转动与否和强弱力情况, 可以将颗粒间的接触系统分为不同的子接触网络. 一般而言, 不同的子接触网络在颗粒体系中的传力机制不同, 对宏观力学响应的贡献也有不同. 采用离散单元法(discrete element method, DEM)模拟了不同抗转动系数$\mu_r$下颗粒材料三轴剪切试验, 分析了剪切过程中不同子接触网络的组构张量的演变规律, 并探究了颗粒抗转动效应对子接触网络各向异性指标演变规律的影响. 研究发现: 剪切过程中转动、非转动接触的组构张量变化不是独立的, 受到颗粒间滑动与否的影响; 非滑动、强接触网络是颗粒间的主要传力结构, 非滑动接触网络的接触法向和法向接触力各向异性均随$\mu_r$的增大而增大, 其对宏观应力的贡献程度随$\mu_r$的增大而减小;强接触网络的接触法向各向异性随$\mu_r$的增大而增大, 但法向接触力各向异性随$\mu_r$的增大无明显变化, 强接触网络对宏观应力的贡献程度在不同$\mu_r$情况下均相同.      

双振子同异步振动主动控制湍流边界层减阻实验研究

本文以镶嵌在平板上沿展向对放的两个压电陶瓷振子为主动控制激励器,自主设计了零质量射流主动控制湍流边界层减阻实验方案.在风洞中开展了双压电振子同步和异步振动主动控制湍流边界层减阻的实验研究,实现了压电振子的周期扰动对湍流边界层多尺度相干结构的干扰和调制,施加控制后减小了壁面摩擦阻力,获得减阻效果.当异步控制100 V, 160 Hz工况时得到最大减阻率为18.54%.小波多尺度分析结果表明,施加控制工况中PZT振子的周期性扰动使得小尺度结构的湍流脉动强度增强,改变了近壁区大尺度和小尺度结构的含能分布,且异步控制工况比同步控制工况的减阻效果好.当双振子振动频率为160 Hz时,流向脉动速度的小波系数PDF曲线呈现出波动特征,尾部变宽显著,近壁湍流脉动更加有序和规则,湍流间歇性减弱.对小尺度脉动进行条件相位平均的结果表明,施加PZT周期扰动后使得大尺度结构破碎成为小尺度结构,小尺度脉动强度增强,实现减阻.随着流向位置离PZT振子越来越远,周期性扰动对相干结构的调制作用逐渐减弱.     

展向喷嘴湍流横向射流大涡模拟及其统计分析

采用大涡模拟方法数值模拟了展向椭圆喷嘴的湍流横向射流,对其大尺度结构的时空演化和湍流脉动速度场的时间序列分析、频谱分析、PDF分析以及时、空截面上的统计平均特性进行分析.结果表明,在射流出口附近的下游核心区中速度脉动剧烈,显现出明显的湍流特征.除了三维涡环脱落、扭曲、变形、摆动所对应频率之外,还存在很宽的湍流基频,它与在喷嘴出口附近产生的三维涡环的时空演化过程密切相关.由于展向椭圆喷嘴的湍流横向射流中的三维涡环快速脱落和强相互作用导致射流尾迹中的强湍流脉动,展向椭圆喷嘴湍流横向射流的PDF空间演化特征结构复杂.在射流核心区的湍流偏应力变化平缓,其统计平均值分布接近左右对称.展向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度场具有极为复杂的统计行为,与流向椭圆喷嘴相比具有更好的掺混能力.     

沙粒粒径在水平水流中对湍流调制及减阻效应的影响作用

运用基于欧拉-欧拉方法的混合欧拉多相流模型结合雷诺应力湍流模型,对较大雷诺数下的水平固液两相湍流进行了数值计算,主要考察了以Kolmogorov尺度(约为2v/ur)为临界值的细小沙粒颗粒在5％的固相体积分数下对湍流场的调制及其减阻效应.研究发现,无量纲颗粒直径dp+≤2的小颗粒减小了固液两相湍流的雷诺应力,并且三个方向上的速度脉动也被不同程度地削弱;而dp+=4的大颗粒使缓冲层区域的雷诺应力稍增大,在增强法向速度脉动的同时对流向脉动有抑制作用,并且值得关注的是,较大颗粒的存在导致缓冲层中的部分区域出现了流变现象.在减阻方面,较小的颗粒(dp+≤2)有大致相同的减阻表现,而大颗粒(dp+=4)已经失去了减阻性能,总体上看,在所研究的情形下微颗粒的减阻性能随着其粒径的增大而降低.     

结构振动对湍流近尾迹的影响

研究了圆柱绕流中流体与结构的相互作用,侧重结构振动对湍流尾迹的影响,用激光测振仪测量圆柱在升力方向的位移;用热线和LDA（二维）测量湍流的近尾迹,通过变化自由流的速度和圆柱体直径（特征尺寸）来变化雷诺数,用两个振动特性不同的（一个相对刚性,一个相对弹）圆柱来产生尾迹,研究固体结构振动对湍流近尾迹的平均速度场和湍流场的影响,结果表明,结构自由振动对湍流近尾迹场影响明显,该影响随雷诺数的变化不明显。     

Mean and fluctuating components of drag and lift forces on an isolated finite-sized particle in turbulence

We perform fully resolved direct numerical simulations of an isolated particle subjected to free-stream turbulence in order to investigate the effect of turbulence on the drag and lift forces at the level of a single particle, following Bagchi and Balachandar’s work (Bagchi and Balachandar in Phys Fluids 15:3496–3513, 2003). The particle Reynolds numbers based on the mean relative particle velocity and the particle diameter are Re?=?100, 250 and 350, which covers three different regimes of wake evolution in a uniform flow: steady axisymmetric wake, steady planar symmetric wake, and unsteady planar symmetric vortex shedding. At each particle Reynolds number, the turbulent intensity is 5–10% of the mean relative particle velocity, and the corresponding diameter of the particle is comparable to or larger than the Kolmogorov scale. The simulation results show that standard drag values determined from uniform flow simulations can accurately predict the drag force if the turbulence intensity is sufficiently weak (5% or less compared to the mean relative velocity). However, it is shown that for finite-sized particles, flow non-uniformity, which is usually neglected in the case of the small particles, can play an important role in determining the forces as the relative turbulence intensity becomes large. The influence of flow non-uniformity on drag force could be qualitatively similar to the Faxen correction. In addition, finite-sized particles at sufficient Reynolds number are inherently subjected to stochastic forces arising from their self-induced vortex shedding in addition to lift force arising from the local ambient flow properties (vorticity and strain rate). The effect of rotational and strain rate of the ambient turbulence seen by the particle on the lift force is explored based on the conditional averaging using the generalized representation of the quasi-steady force proposed by Bagchi and Balachandar (J Fluid Mech 481:105–148, 2003). From the present study, it is shown that at Re?=?100, the lift force is mainly influenced by the surrounding turbulence, but at Re = 250 and 350, the lift force is affected by the wake structure as well as the surrounding turbulence. Thus, for a finite-sized particle of sufficient Reynolds number supporting self-induced vortex shedding, the lift force will not be completely correlated with the ambient flow. Therefore, it appears that in order to reliably predict the motion of a finite-sized particle in turbulence, it is important to incorporate both a deterministic component and a stochastic component in the force model. The best deterministic contribution is given by the conditional average. The influence of ambient turbulence at the scale of the particle, which are not accounted for in the deterministic contribution, can be considered in stochastic manner. In the modeling of lift force, additional stochastic contribution arising from self-induced vortex shedding must also be included.     

自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能, 特别是近水面航行时, 自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证; 随后,用验证后的模型试验方法对潜艇尾流场进行测量,得到不同潜深工况、不同速度下的桨盘面轴向速度以及脉动速度,同时辅以数值模拟对试验无法测得的兴波波系及中纵剖面速度场加以补充,从兴波角度阐述了自由面对潜艇尾流场流动特性影响机理. 研究结果表明:潜艇在近水面航行时, 随着Fr增大,桨盘面处轴向速度云图中上方等值线整体趋于扁平化, 较4D潜深工况,1.5D潜深工况出现局部脉动速度极大值, 且脉动速度结构整体下移; 自由面存在时,艇体与自由面间流场速度明显增大, 特别在桨盘面区域, 流场速度明显提升.随着Fr增大, 桨盘面处的自由液面高度逐渐降低,这就导致了桨盘面位置出现更大的流体速度, 即造成了桨盘面伴流场挤压现象.      

水平液─固流中颗粒抑制湍流的行为和条件

用激光多普勒分相测量方法，考察了水平含颗粒水流的主流区，亚毫米颗粒对水流湍流有抑制行为，湍流削弱程度与颗粒浓度、流动发展长度、水流雷诺数等因素有关．按照不出现尾涡脱落和至少能响应一部分大尺度涡的运动这两个基本条件，分析了湍流抑制与有关参量的依赖性．结果表明，流动尺度和颗粒尺寸之比，对于颗粒消耗而不增生湍流起着最主要的作用．在一定的水流雷诺数下，只要这一比值很大，亚毫米颗粒就会表现出对湍流的抑制作用     

Response of the Sphere Wake to Freestream Fluctuations

Direct numerical simulations have been used to investigate the response of the wake of a sphere to freestream fluctuations. This study has been motivated by the need to understand particle-induced turbulence enhancement in particulate flows. A sequence of simulations of flow past a sphere have been carried out where the frequency and amplitude of the freestream fluctuations and the flow Reynolds number has been varied systematically. It has been suggested that turbulence enhancement is primarily caused by vortex shedding from particles (Gore and Crowe, 1989; Hetsroni, 1989). Our simulations of the forced wake indicate that turbulence enhancement may be attributed to natural vortex shedding only when the freestream fluctuation level is low and the Reynolds number is greater than about 300. In addition to natural vortex shedding, the current simulations also suggest another mechanism for turbulence enhancement. It is found that in the presence of freestream fluctuations, the wake behaves like an oscillator and returns large amounts of kinetic energy to the surrounding fluid at resonance. This mechanism is not associated with natural vortex shedding and is therefore capable of enhancing freestream turbulence even at Reynolds numbers less than 300. Simulations also indicate that when the turbulence intensity of the carrier fluid is high, this resonance mechanism might be solely responsible for turbulence enhancement. Finally, our simulations also suggest a possible explanation for the correlation between turbulence enhancement and the ratio of the particle size to the size of energy containing eddies of turbulence found by Gore and Crowe (1989). Received 5 October 1999 and accepted 14 October 1999     

圆角化对方柱气动性能影响的流场机理

方形截面柱体的圆角化处理是常用的流动控制方法,但其流场作用机理尚未被澄清.采用大涡模拟方法,在雷诺数为2.2$\times$10$^{4}$时,考虑风攻角的影响,对均匀流作用下的标准方柱和圆角方柱的气动性能和流场特性进行了研究,定量分析了圆角化气动措施和风攻角变化对分离泡特性的影响规律,从流场角度澄清了圆角化气动措施对方柱气动性能的影响机理.研究表明:与标准方柱相比,圆角方柱的表面风压、气动力和涡脱强度呈整体下降的趋势,但圆角方柱的斯特劳哈尔数更高;圆角方柱的"分离泡流态'发生在更小的风攻角范围内,分离泡的出现会进一步造成方柱的尾流变窄,涡脱强度减弱;随着风攻角的增大,分离泡的长度会逐渐减小直至消失,分离泡的中心会逐渐向方柱前角(迎风向)和方柱壁面移动;与标准方柱相比,圆角方柱的气流发生初次分离的位置向下游移动,分离后的剪切层更贴近方柱,因而更易发生再附现象;方柱尾流宽度的减小和涡脱强度的减弱是导致圆角方柱气动力减小和斯特劳哈尔数增大的主要原因.      

圆柱涡激振动的结构-尾流振子耦合模型研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta$的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast$值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态.在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.