槽道内涡波流场的POD分析

对槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场进行了2DPIV测量实验，将2DPIV测量的矢量场数据进行POD分析，根据POD分解的各阶模态的能量比确定了表征涡波流场主导结构的前15阶模态。结果表明，POD分解的前15阶模态发现槽道内涡波流场是由槽道壁面剪切层诱导的涡列以及伴随的波状主流组成；流场中大尺度的涡旋发展为涡对，对波状主流的脉动频率产生影响；根据涡波流场中的驻点和鞍点，获取了流场的大尺度涡对、平均流场以及Helmholtz涡环等明显特征；最后根据POD分解的前15阶模态对槽道内涡波流场进行重组，重组流场表征了槽道内层流状态下波状主流的形态和涡旋共存的涡波结构以及驻点和鞍点的位置处涡旋的变化等主要特征，有效地剔除了PIV测量流场中的随机信息，保留了PIV测量流场的主导特征。     

非对称槽道中涡旋波的特性研究

利用PIV流场显示技术，对振荡流体在非对称槽道中涡旋波的产生、发展和消失的规律进 行了实验研究和分析，测得了涡旋波流场的速度矢量图，阐明了涡旋波流场周期性变化的特 点. 结合涡动力学方程，深入分析并揭示了做周期性运动的流体能在槽道中产生波的特性这 一规律，从中发现：流体周期变化的非定常性和不对称的槽道结构是形成涡旋波流动的主要 因素. 本文对涡旋波流场中各个旋涡的速度分布和涡量进行了测量和计算，分析了涡旋波 强化传质的机理，并研究了Re数对涡旋波流动的影响     

应用PIV技术测试涡旋波流场

涡旋波流动作为一种特殊的流动现象,可以使流体在相对较宽的槽道中产生较强的波动和对流混合,从而在小Re数条件下起到强化传质的效果。本文利用PIV流场显示技术,对振荡流在非对称槽道中所形成的涡旋波的产生机理和发展规律进行了实验研究和定量分析,测得了涡旋波流场的速度矢量图,阐明了涡旋波流场周期性变化的特点。分析了Re数和St数对涡旋波流动的影响,并得出了旋涡涡心位置以及涡心处涡量的动态变化规律。     

用PIV测试涡旋波流场的速度和剪应力分布

采用PIV瞬态流场测试技术,对二维槽道中的涡旋波流场不同相位上的速度分布和应力分布进行了测试和计算,本文定量地描述了槽道中涡旋波的形成过程及发展规律。通过调整振荡流的振幅和活塞行程,分析了Re数和Sr数对涡旋波流动的影响,得出了槽道内剪应力的分布状况以及平均剪切应力的周期性变化规律。深入分析了涡旋波流场强化传递现象的本质。     

涡旋波流场的涡量测试与计算及特征参数的影响

从实验和模拟计算两个方面,对涡旋波流场的速度矢量图和涡量进行了定量测试和综合分析,并对涡旋波流动与其特征影响参数之间的关系进行了研究。结果表明:涡旋波流动只在二维层流状态下产生,涡旋波形成后,Re数对旋涡尺寸的影响较小,涡量随Re数的增大而增大,但涡量不随时间的增加而单调增加。随着St数的减小,旋涡尺寸明显增大,涡量却随之减小。本文也对不同槽道内的涡旋波流场进行了数值模拟计算,进而确定了涡旋波流场的形成条件。     

槽道湍流近壁结构的DPIV观测实验

采用DPIV系统(由两台CCD相机组成)对槽道湍流进行速度场时间历程的观测实验，通 过对大量测量结果的综合分析，取得了槽道湍流近壁结构的空间结构及其时间演化过程特征 的结果，可以揭示上扫下掠、湍流瞬时速度型等现象与大尺度涡演化的物理关系，解释若干 湍流大尺度结构的特征机理，还表明DPIV系统提供了一种定量观测湍流的时空结构特征的手 段.     

PIV速度场坏矢量的本征正交分解处理技术

介绍了一种针对粒子图像测速(PIV)基于本征正交分解(POD)的速度场后处理技术.该技术改变了现在后处理技术将速度场坏矢量识别和修正分开实现的局面,通过迭代方法有效地实现了速度场坏点统一的识别和修复算法.算法利用POD分解的低阶模态信息重构出可以用于坏矢量识别的参考速度场,利用该参考速度场对全流场进行坏点识别并完成修正.通过对一套光滑的PIV速度场数据引入高斯分布的随机误差,测试验证了该POD方法的优越性.在坏矢量识别方面新方法较归一化中值检验有更高的正确性,能识别大面积出现的坏矢量区域.在坏矢量修补的插值算法中,新方法的计算效率又高于传统Gappy POD方法,且计算精度优于常见的矢量场内插数学方法.特别是在数据缺失的大连通区域,该方法对物理流场有很好的预测效果.     

竖直平板间自然对流大尺度相干结构的POD分析

POD方法是研究湍流相干结构的有效手段．将该方法应用于竖直平板间自然对流的问题,考虑到流场的热耦合性,采取了速度场与温度场相关联的POD分析．研究表明,该流场具有显著的结构性,流场中的主要含能流动形态为大尺度螺旋涡与纵向涡结构．用POD分析方法,得到广义“能量”在各模态问的分布,发现其分布有比较明显的收敛性．通过POD方法重构流场,可以用较少的模态捕捉到该流场的主要信息．     

DPIV技术在高超声速通气模型内阻测量中的应用

针对高超声速通气模型内阻测量存在的误差大的问题,首次采用DPIV技术和总压测量排架相结合的方法测量了超燃发动机尾喷管流场速度矢量和皮托压力分布,间接获得了内流出口处平均马赫数和静压平均值,从而实现了高超声速通气模型内阻测量。研究结果表明:DPIV试验获得的粒子图像可以清楚地显示喷管出口位置内外流的分界面、内外流混合层的尾迹、通气模型外表面边界层;DPIV试验获得的速度矢量场结果准确、精度高,能够提供远远超出传统测量技术所能提供的流场信息。DPIV技术作为一种有力的测量手段,在高超声速飞行器研究中能够发挥重大的作用。     

基于动力学模态分解法的绕水翼非定常空化流场演化分析

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.      

ANALYSIS OF UNSTEADY CAVITATION FLOW OVER HYDROFOIL BASED ON DYNAMIC MODE DECOMPOSITION$^{\bf 1)}$

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.     

高亚声速湍流喷流气动噪声数值分析

为适应航空噪声管制规定要求,发动机喷流噪声控制成为目前气动声学研究中的重要课题,预测分析喷流噪声辐射并揭示其产生机理将为噪声控制奠定基础.采用高精度并行LES（large eddy simulation）方法计算分析马赫数0.9高亚声速喷流的湍流演化和气动噪声现象.首先,仔细验证喷流LES湍流场计算保真性,并分析流场中不同尺度涡结构的演化形态.其次,利用可穿透面FW-H（Ffowcs Williams and Hawkings）方法外推喷流近场声源数据获得精确声辐射远场,进而分析声场主导声模态特性.最后,通过分析声源机制、分离声模态等方法研究势流核末端大尺度拟序涡运动演化形成的低波数波包在噪声主导声模态产生中的重要作用.数值结果表明LES结合可穿透面FW-H方法可精确预测高亚声速喷流的流场及声场特征,且数值分析揭示涡环对并形成的大尺度拟序结构在喷流中心线上沿径向融合,产生了在远场低方位角占优的主导声模态,并构成强指向性声场,噪声峰值方位角约为30°.      

近距离下射流冲击平板PIV实验研究

运用时间分辨粒子成像测速系统(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)对近距离下射流冲击平板时的流场进行了直接测量, 通过对两个正交的平面流场开展测量, 揭示了冲击距离和雷诺数对射流间隙内三维流动特征及涡系结构演化规律的影响. 结果表明: 射流间隙存在三种典型的涡系结构, 分别为双涡环模式、单涡环模式和卷吸模式, 但在大流量湍流状态下, 射流可能会冲破涡环, 形成随机的高速出流, 各流动模式的出现主要与射流流态及壁面约束作用有关. 运用涡量分析对三种典型涡系结构的能量传递和损失特性进行了比较. 结果表明: 近距离冲击时, 射流的能量通过涡环模式向外传递. 在双涡环模式下, 两个涡环的旋向相反, 端面的约束作用使得两个涡环都被严格约束在射流棒端面之内, 且一次涡环强度显著大于二次涡环强度. 最后, 运用本征正交分解方法对射流间隙内的流动模态及其能量分布进行了分析. 单涡和双涡模式前十阶模态分析结果表明: 能量脉动在较低阶时即以配对的模式出现, 这表明一次涡环与二次涡环均具有良好的对称性, 同时在双涡模式中, 一次涡环是占主导作用的大尺度流动结构. 卷吸模式的前三阶模态分析表明: 射流的能量集中在射流上游, 能量随紊动扩散急剧衰减.      

PIV MEASUREMENT OF CLOSE IMPINGING JET ON FLAT PLATE 1)

运用时间分辨粒子成像测速系统(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)对近距离下射流冲击平板时的流场进行了直接测量, 通过对两个正交的平面流场开展测量, 揭示了冲击距离和雷诺数对射流间隙内三维流动特征及涡系结构演化规律的影响. 结果表明: 射流间隙存在三种典型的涡系结构, 分别为双涡环模式、单涡环模式和卷吸模式, 但在大流量湍流状态下, 射流可能会冲破涡环, 形成随机的高速出流, 各流动模式的出现主要与射流流态及壁面约束作用有关. 运用涡量分析对三种典型涡系结构的能量传递和损失特性进行了比较. 结果表明: 近距离冲击时, 射流的能量通过涡环模式向外传递. 在双涡环模式下, 两个涡环的旋向相反, 端面的约束作用使得两个涡环都被严格约束在射流棒端面之内, 且一次涡环强度显著大于二次涡环强度. 最后, 运用本征正交分解方法对射流间隙内的流动模态及其能量分布进行了分析. 单涡和双涡模式前十阶模态分析结果表明: 能量脉动在较低阶时即以配对的模式出现, 这表明一次涡环与二次涡环均具有良好的对称性, 同时在双涡模式中, 一次涡环是占主导作用的大尺度流动结构. 卷吸模式的前三阶模态分析表明: 射流的能量集中在射流上游, 能量随紊动扩散急剧衰减.     

海底悬跨管线涡激振动实验方法探讨

随着我国海洋石油开采业的发展,海底悬跨管线涡激振动的研究越来越受到重视。本文总结了海底悬跨管线涡激振动的实验研究与进展,对海底悬跨管线的涡激振动实验方法、测试技术、分析方法以及实验中可能存在的难点问题进行了详细讨论和分析;给出了波流水槽内稳定流、波浪以及波流联合作用等条件下海底悬跨管线的涡激振动实验设计原则和方法,进行了海底悬跨管线的涡激振动实验设计,实验主要关注于涡激共振由一阶共振向二阶共振过渡的模态过渡特征以及过渡范围内管线的振动特征,目前实验已在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的波流水槽中完成;最后,提出了相关的研究建议。     

壁面湍流发卡涡包空间模态的TRPIV实验研究

运用高时间分辨率粒子图像测速(Time-resolved PIV简称TRPIV),测量得到平板湍流边界层流向/法向平面内瞬时速度矢量空间分布的时间序列;采用空间局部平均速度结构函数的概念,识别和提取湍流边界层中大尺度发卡涡包结构的空间特征。发现在湍流边界层中不同法向位置多个正负发卡涡包结构同时交替存在。这些分布在不同法向高度的发卡涡包结构之间通过倾斜的涡量剪切层相联系,构成了湍流边界层中内、外区紧密相连、相互作用的一种稳态的分布方式。     

逆壁射流中射流剪切层内湍流结构特性的实验研究

采用粒子图像测速技术对逆壁射流全流场进行了实验测量,射流与主流的速度比为8.89,基于射流圆管内径的雷诺数为对射流中心线上不同流向位置的脉动速度场统计分析发现:在占据主导地位.在驻点附近(尺度进行分析,在x/D=46～51总尺度向射流下游发展呈减小趋势.在x/D=35～41,参考点下游尺度大于上游尺度.在本征正交分解方法对湍流结构进行了定量分析,发现模态能量集中在低频,流场中能量最大的模态频率为f D/Uj=0.000 5,出现在再循环区.频率为产生了湍流结构,并且沿再循环区外围输运.高频结构的构型是类似的,均位于射流剪切层内,且频率越高,越接近射流出口,尺度越小.     

A RESIDUAL-BASED UNRESOLVED-SCALE FINITE ELEMENT MODELLING FOR IMPLICT LARGE EDDY SIMULATION 1)

对应于湍流的大尺度与小尺度流场信息, 本文在有限元的框架下, 假设Navier-Stokes方程的解的形函数由大尺度和不可解尺度形函数叠加组成, 引入对应的权函数, 将Navier-Stokes方程的有限元变分形式分解为大尺度和不可解尺度系统. 根据不可解尺度系统, 构建基于Navier-Stokes大尺度方程残差的不可解尺度模型, 将其代入Navier-Stokes方程的大尺度系统, 进而数值求解大尺度系统得到Navier-Stokes方程的大尺度解. 该方法无需像传统的大涡模拟方法那样对方程的解进行过滤, 通过对形函数进行尺度分解实现解的尺度分解. 本文使用该方法的自编程序代码开展了槽道湍流的数值模拟. 通过与有限差分大涡模拟、DNS计算结果的比较, 发现在使用较少网格情况下该方法预测的平均流向速度在近壁区与DNS数据吻合, 在黏性外层略偏高; 该方法对雷诺应力预测偏低导致从流向向垂向方向上湍动能输运略偏低. 流向速度等值面图显示该方法有效捕捉到了大尺度旋涡结构; 同时在近壁区可以观察到明显的低速条带结构.     

基于Navier-Stokes方程残差的隐式大涡模拟有限元模型

对应于湍流的大尺度与小尺度流场信息, 本文在有限元的框架下, 假设Navier-Stokes方程的解的形函数由大尺度和不可解尺度形函数叠加组成, 引入对应的权函数, 将Navier-Stokes方程的有限元变分形式分解为大尺度和不可解尺度系统. 根据不可解尺度系统, 构建基于Navier-Stokes大尺度方程残差的不可解尺度模型, 将其代入Navier-Stokes方程的大尺度系统, 进而数值求解大尺度系统得到Navier-Stokes方程的大尺度解. 该方法无需像传统的大涡模拟方法那样对方程的解进行过滤, 通过对形函数进行尺度分解实现解的尺度分解. 本文使用该方法的自编程序代码开展了槽道湍流的数值模拟. 通过与有限差分大涡模拟、DNS计算结果的比较, 发现在使用较少网格情况下该方法预测的平均流向速度在近壁区与DNS数据吻合, 在黏性外层略偏高; 该方法对雷诺应力预测偏低导致从流向向垂向方向上湍动能输运略偏低. 流向速度等值面图显示该方法有效捕捉到了大尺度旋涡结构; 同时在近壁区可以观察到明显的低速条带结构.      

含有周期涡结构的湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的迟滞效应

针对存在时空周期涡旋结构的湍流场，对湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的空间迟滞效应进行了实验研究，发现二者流向相位差呈周期变化．在低速回流式水槽中，利用二维高时间分辨率粒子图像测速(TimeResolved Particle Image Velocimetry, TRPIV)技术，对Re=324的圆柱尾流流场进行测量．经过49个周期166个相位的8 215个PIV瞬时流场，经过周期相位平均，得到一个周期内不同相位典型的湍流雷诺应力和平均速度梯度的空间分布．利用湍流雷诺应力相位平均图像和平均速度梯度图像在不同时间相位下的空间互相关函数最大值对应的流向空间距离，得到湍流雷诺应力与平均速度梯度之间沿流向的空间相位差，并绘制流向相位差随周期相位的演变过程．本文验证了湍流复涡黏模型的合理性，为建立符合周期涡旋结构物理机理的湍流模型研究提供了实验依据．