用平均速度剖面法测量壁湍流摩擦阻力

用IFA300恒温热线风速仪精细测量风洞中不同雷诺数流动条件下的平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面．利用平板湍流边界层近壁区域的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏性系数等内尺度物理量的关系和壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系，在准确测量平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上，测量平板湍流边界层的壁面摩擦阻力．实现了平板湍流边界层壁面摩擦阻力的无干扰或微小干扰测量．该种方法操作简便，不需要在流场中安装测力天平、传感器等复杂的测量装置，不需要对湍流边界层的壁面进行破坏，不会影响湍流边界层壁面附近区域原有的流场条件，是一种切实可行的测量平板湍流边界层壁面摩擦阻力的简便方法．     

TRPIV MEASUREMENT OF DRAG-REDUCTION IN THE TURBULENT BOUNDARY LAYER OVER RIBLETS PLATE

采用高时间分辨率粒子图像测速技术对沟槽壁面平板湍流边界层速度矢量场的时间序列及其统计量进行了实验测量,讨论了在同一来流速度下沟槽壁面对平均速度剖面﹑雷诺切应力及湍流强度的影响. 用流向速度分量的多尺度空间局部平均结构函数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠事件的脉动速度、展向涡量的二维空间拓扑形态. 结果表明,与同材料光滑壁面对比,沟槽壁面实现了10.73%的摩阻减小量;沟槽壁面湍流边界层湍流强度及雷诺切应力皆比光滑平板湍流边界层对应统计量小,说明沟槽壁面有效降低了湍流边界层内流体的脉动. 通过比较壁湍流相干结构猝发事件各脉动速度分量与展向涡量的空间分布特征,肯定了沟槽壁面的减阻效果,发现沟槽壁面通过抑制相干结构猝发事件实现减阻.     

柔性壁面湍流减阻机理与多尺度相干结构控制的实验研究

用热膜测速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率,精细测量了水槽中刚性壁面和柔性壁面平板湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号,利用湍流边界层近壁区域的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体粘性系数、壁面摩擦切应力等内尺度物理量的关系,在准确测量湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上,通过非线性迭代求解壁面摩擦速度以及湍流边界层壁面摩擦切应力.结果表明柔性壁的湍流边界层速度分布在对数律层有所上移,缓冲层增厚,说明柔性壁面具有一定的减阻作用. 利用湍流多尺度局部平均结构函数的概念和多尺度局部平均结构函数的瞬时强度因子、平坦因子检测多尺度相干结构及其间歇性的方法,提取了湍流边界层多尺度相干结构的条件相位平均波形.对比研究了刚性壁面和柔性壁面平板湍流边界层近壁区域多尺度相干结构的条件相位平均波形及其间歇性的统计特征,分析了柔性壁面具有减阻作用的物理机理.     

FLOW STRUCTURE IN THE TURBULENT BOUNDARY LAYER OVER DIRECTIONAL RIBLETS SURFACES

本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术，对零压力梯度光滑以及汇聚和发散沟槽表面平板湍流边界层统计特性和流动结构进行了研究.结果表明在垂直于汇聚和发散沟槽表面的对称平面内，相对于光滑壁面，发散沟槽壁面使当地边界层厚度、壁面摩擦阻力、湍流脉动、雷诺应力等明显减小；而汇聚沟槽壁面对湍流边界层特性和流动结构的影响正好相反，汇聚沟槽使壁面流体有远离壁面向上运动的趋势，因而导致边界层厚度增加了约43%；同时，在汇聚沟槽表面情况下流向大尺度相干结构更容易形成，这对减阻是不利的.此外，顺向涡数量在湍流边界层的对数区均存在一个极大值，发散沟槽表面所对应的极大值位置更靠近沟槽壁面，而在汇聚沟槽表面则有远离壁面的趋势，由顺向涡诱导产生的较强的喷射和扫掠运动会在湍流边界层中产生较强的剪切作用，顺向涡数量的减少是发散沟槽壁面当地摩擦阻力降低的主要原因.     

沟槽方向对湍流边界层流动结构影响的实验研究

本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,对零压力梯度光滑以及汇聚和发散沟槽表面平板湍流边界层统计特性和流动结构进行了研究.结果表明在垂直于汇聚和发散沟槽表面的对称平面内,相对于光滑壁面,发散沟槽壁面使当地边界层厚度、壁面摩擦阻力、湍流脉动、雷诺应力等明显减小;而汇聚沟槽壁面对湍流边界层特性和流动结构的影响正好相反,汇聚沟槽使壁面流体有远离壁面向上运动的趋势,因而导致边界层厚度增加了约43%;同时,在汇聚沟槽表面情况下流向大尺度相干结构更容易形成,这对减阻是不利的.此外,顺向涡数量在湍流边界层的对数区均存在一个极大值,发散沟槽表面所对应的极大值位置更靠近沟槽壁面,而在汇聚沟槽表面则有远离壁面的趋势,由顺向涡诱导产生的较强的喷射和扫掠运动会在湍流边界层中产生较强的剪切作用,顺向涡数量的减少是发散沟槽壁面当地摩擦阻力降低的主要原因.     

输气管道壁面涂料减阻机理的实验研究

用IFA-300热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量了风洞中不同壁面涂料的管道湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号,利用湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏性系数等内尺度物理量的关系和壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系,在准确测量湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上,间接测量湍流边界层的壁面摩擦阻力．对不同壁面涂料的壁湍流脉动速度信号用子波分析进行多尺度分解,用子波系数的瞬时强度因子和平坦因子检测管道湍流边界层中的多尺度相干结构,提取不同尺度相干结构的条件相位平均波形,对比研究输气管道壁面涂料的减阻机理．     

湍流边界层空间特征尺度的层析TRPIV测量

利用层析TRPIV测量得到的平板湍流边界层三维三分量速度场数据库,计算得到了平板湍流边界层空间耗散尺度、剪切尺度、泰勒微分尺度、积分尺度等典型空间特征尺度分别为3～5,40～100,20～50,4000个壁面单位,发现耗散尺度随法向位置缓慢增加,剪切尺度在靠近壁面的区域随法向位置变化不明显,积分尺度已不随法向位置变化....     

障碍物和管壁导致火焰加速的三维数值模拟

基于K 模型和改进的EBU Arrehnius燃烧模型 ,考虑了障碍物对流动的附加作用 ,通过修改方程的源项 ,建立了湍流加速火焰现象的理论模型。选用Simple格式 ,壁面边界层采用壁面函数法处理 ,模拟了障碍物和摩擦管壁在三维空间中导致火焰加速的现象 ,结果表明障碍物和管壁对火焰都有明显的加速作用 ,且障碍物的加速作用更明显 ,最后分析了导致火焰加速的机理。     

锥体效应对超音速湍流边界层统计特性的影响

通过直接数值模拟，计算了空间模式下，来流马赫数为2.5, 半锥角为$5^{\circ}$, 零攻角 的绝热钝锥湍流边界层，研究了湍流的统计特性，并把结果与超音速平板湍流边界层和马赫数为6 的高超音速钝锥湍流边界层的结果进行了比较，重点定量地考察了锥体效应对边界层湍流统 计特性的影响. 研究发现，锥体效应对平均温度剖面以及压缩性的影响是显著的；而其它统 计量，比如速度壁面律、雷诺应力的分布和湍动能各项的贡献等，受锥体效应的影响很小.     

MHD控制超声速边界层的理论研究和数值分析

对MHD(mechanisms of magnetohy drodynamics)控制超声速平板湍流边界层的机理进行了理论研究和数值模拟.理论上,采用等离子体低频近似碰撞频率模型,建立等离子体中电子和离子的力平衡方程,得到等离子体速度、极化电场以及边界层速度.数值上,通过空间HLLE格式、LU-SGS时间推进求解时均磁流体动力学湍流方程,其中湍流模型采用sst-kω双方程模型.研究结果表明:(1)边界层速度的理论结果和数值结果误差在7%范围内;(2)只有磁场而电场为零时,洛仑兹力起到减小摩阻的作用.施加电场后,洛仑兹力能够加速边界层低速区流体;(3)在边界层外层,越靠近壁面,作用参数越小;而在边界层近壁区黏性底层,虽然惯性力减小,但黏性力却迅速增加,因此越靠近壁面,作用参数反而越大,加速低速流的代价增加.     

Extended intrinsic mean spin tensor for turbulence modelling in non-inertial frame of reference

We investigate the role of extended intrinsic mean spin tensor introduced in this work for turbulence modelling in a non-inertial frame of reference. It is described by the Euclidean group of transformations and, in particular, its significance and importance in the approach of the algebraic Reynolds stress modelling, such as in a nonlinear K-ε model. To this end and for illustration of the effect of extended intrinsic spin tensor on turbulence modelling, we examine several recently developed nonlinear K-ε models and compare their performance in predicting the homogeneous turbulent shear flow in a rotating frame of reference with LES data. Our results and analysis indicate that, only if the deficiencies of these models and the like be well understood and properly corrected, may in the near future, more sophisticated nonlinear K-ε models be developed to better predict complex turbulent flows in a non-inertial frame of reference.     

连续圆孔障碍物对油气泄压爆炸火焰特性影响大涡模拟

采用WALE模型和Zimont预混火焰模型对内置圆孔障碍物油气泄压爆炸火焰特性进行了大涡模拟，并将大涡模拟计算结果和RNG k-ε湍流模型计算结果以及实验结果进行对比分析，验证了大涡模拟的精确性。结果表明:（1）大涡模拟在预测油气爆炸超压、火焰传播速度以及火焰形态变化等方面比RNG k-ε湍流模型精确度更高，且能表现出更多流场的精细化结构；（2）障碍物诱导管道内形成湍流度较高的流场区域，导致火焰产生褶皱弯曲变形，增大火焰面积，加速火焰传播；（3）爆炸超压、火焰传播速度和火焰面积内在联系密切，具有显著的耦合性，且随时间的变化趋势存在高度的一致性。     

Computations for a jet impinging obliquely on a flat surface

A SIMPLE-C algorithm and Jones-Launder k-ε two-equation turbulence model are used to simulate a two-dimensional jet impinging obliquely on a flat surface. Both the continuity and momentum equations for the unsteady state are cast into suitable finite difference equations. The pressure, velocity, turbulent kinetic energy and turbulent energy dissipation rate distributions are solved and show good agreement with various experimental data. The calculations show that the flow field structure of the jet impinging obliquely on a flat surface is strongly affected by the oblique impingement angle. The maximum pressure zone of the obliquely impinging jet flow field moves towards the left as the oblique impingement angle is decreased.     

Performance of RNG Turbulence Modelling for Forced Convective Heat Transfer in Ducts

This investigation concerns numerical calculation of turbulent forced convective heat transfer and fluid flow in straight ducts using the RNG (Re-Normalized Group) turbulence method.

A computational method has been developed to predict the turbulent Reynolds stresses and turbulent heat fluxes in ducts with different turbulence models. The turbulent Reynolds stresses and other turbulent flow quantities are predicted with the RNG κ?ε model and the RNG non-linear κ-ε model of Speziale. The turbulent heat fluxes are modeled by the simple eddy diffusivity (SED) concept, GGDH and WET methods. Two wall functions are used, one for the velocity field and one for the temperature field. All the models arc implemented for an arbitrary three dimensional duct.

Fully developed condition is achieved by imposing cyclic boundary conditions in the main flow direction. The numerical approach is based on the finite volume technique with a non-staggered grid arrangement. The pressure-velocity coupling is handled by using the SIMPLEC-algorithm. The convective terms are treated by the QUICK, scheme while the diffusive terms are handled by the central-difference scheme. The hybrid scheme is used for solving the κ and ε equations.

The overall comparison between the models is presented in terms of friction factor and Nusselt number. The secondary flow generation is also of major concern.     

曝气速度对曝气池流场影响的数值模拟分析

采用欧拉-欧拉多相流模型,辅以RNG k-ε湍流模型对一简化的推流式曝气池进行了数值模拟,控制方程采用有限体积法离散,并采用PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解。通过模拟得到了不同曝气速度下曝气池特征断面的气相体积分数、气液两相速度的分布规律以及湍动能的变化情况,通过分析比较确定了最佳的曝气速度范围:当曝气速度范围为6.25m/s~7.813m/s时,简化的推流式曝气池内的气体分布均匀,池内的气体和液体混合充分,可为曝气池的合理运行提供参考。     

蜗壳内紊流流场的有限元法计算

用有限元法计算径流式叶轮机械蜗壳的紊流时均流场.有关紊流模型采用K-ε两方程模型,用关于压力p的罚函数方法求解.所得结果可供分析蜗壳流场用.文中方法也可用于计算其他形状的二维通道流动.     

Turbulent free surface flow simulation using a multilayer model

Based on the steady hydrodynamic equations, a multilayer (ML) model has been formulated for simulating turbulent flow in open channels. The model is imposed on a general curvilinear co-ordinate system with non-staggered finite volume discretization. The turbulent quantities in the model are described by the layer-averaged K-ε turbulence model with standard coefficients. Assuming a vertical hydrostatic pressure distribution, a depth correction scheme, originating in the Rhie and Chow approach for confined flows, is incorporated into the SIMPLE procedure to compute the water surface. Using the multilayer model, flows in a 180° channel bend, near a groin, and in straight open channels are computed. The results are compared with experimental data and with calculations of a depth-averaged model (DAV) having three-dimensional effect corrections. The comparisons show that the predictions of the ML model on mean flow values are in good agreement with the available data and are better than those of the DAV model. The vertical distribution of the turbulent energy dissipation rate is also shown to agree well with the open-channel measurements.     

波浪与新型双排开孔圆筒防波堤相互作用三维数值模拟

双排开孔圆筒防波堤是基于圆筒、板式结构的一种复合式新型结构型式;基于不可压缩两相流模型建立三维数值波浪水槽,通过RNG k-ε湍流模型进行湍流封闭,并采用TruVOF方法捕捉自由液面,开展波浪与双排开孔圆筒防波堤相互作用数值模拟,探究相对排间距、开孔率对新型双排开孔圆筒防波堤消浪性能的影响,分析了后排开孔圆筒防波堤附近的复杂水动力现象和流动特性.结果表明,在本文研究工况范围内,沿程平均波高随相对排间距的增大先增大后减小,随开孔率的增大而增大,周期对沿程平均波高的影响没有明显规律;当B/D=9, e=23.11%时,新型双排开孔圆筒防波堤消浪效果最优,反射系数在0.4～0.46之间,透射系数在0.3～0.35之间,耗散系数在0.8～0.85之间;自由液面破碎、水气掺混、环状涡运动演化是新型双排开孔圆筒防波堤紊动耗能消波的主要原因;相对排间距会引起后排防波堤附近涡量分布以及剪切层形态的变化,从而导致不同的紊动特性,影响双排开孔圆筒防波堤消浪特性.研究结果可以为新型双排开孔圆筒防波堤工程设计与消浪机理研究提供理论支撑.     

A hybrid k-ε turbulence model of recirculating flow

This investigation deals with the modification of streamline curvature effects in the k-ε turbulence model for the case of recirculating flows. Based upon an idea that the modification of curvature effects in C₂ should not be made in regions where the streamline curvature is small, a hybrid k-ε model extended from the modification originally proposed by Srinivasan and Mongia is developed. A satisfactory agreement of model predictions with experimental data reveals that the hybrid k-ε model can perform better simulation of recirculating turbulent flows.     

小型水洞拐角导流片的数值设计

拐角是回流式水洞的重要组成部分,对实验段流场的品质有着重要的影响。本文针对某小型高速水洞中的第四拐角,利用RNGk-ε湍流模型,对比模拟了导流片对拐角流场的影响。针对一种等厚圆弧形导流片的长度、布置等进行了对比计算。结果表明导流片的安装对提高流场均匀性、降低湍动能和减弱二次流等具有非常大的意义,其中半径/边长比为0.2、间距/弦长为0.15~0.25的导流片效果最为明显;文中两种非等间距的导流片分布方式以及-4°和+4°攻角的情形对流场影响较小。