单颗泥沙运动力学及统计规律

我们采用力学与概率论相结合的途径,对单颗泥沙运动进行了研究。1.单颗泥沙运动的机理和概化图形单颗泥沙具有静止、滚动、跳跃和悬浮四种运动状态。当水流强度不很大时,床面颗粒起动之后,常常是滚动。当水流强度较大,或具有一定速度的运动颗粒与床面颗粒碰撞后,产生了一定的竖向分速,颗粒就会离开床面,作短暂的跳跃。当水流强度很大时,在紊动水流的涡体携带下,泥沙颗粒可以在水中悬浮一定的距离。跳跃颗粒与滚动颗粒的区...     

圆柱绕流局部冲刷机制的实验研究

采用粒子图像测速技术和粒子图像识别技术研究了冲刷坑的演化过程及局部冲刷的流体动力机制。首先研究了动床条件下圆柱周围的床面演化过程，给出垂直对称面输沙率随时间变化以及圆柱下游垂直对称面的沙颗粒浓度和泥沙分布规律；其次针对典型冲刷坑形状固定底床，测量了圆柱下游的瞬时流场，并给出平均流场。结果表明尾流区平均剪应力较低，但垂向涡量和湍流强度较高。分析指出平均剪应力较低的尾流区域，局部冲刷的主要动力机制是尾涡和湍流的综合作用。     

一种新的往复流试验平台及其泥沙冲刷试验研究

本文提出一种可以模拟潮流运动的自动化控制水槽。该水槽可以时控制往复流两端的水位,实现流的往复运动,并可以按计算机要求实现水位的稳定或渐变。本文同时利用该水槽进行了圆柱开桥墩周围的测试数据、照片为基础、分析了不同水流条件下圆柱形桥墩周围的床面冲刷情况。试验发现在桥墩附近,水流的旋滚运动及旋涡系是造成床面冲刷的主要原因,另外对于往复流情况,桥墩附近床面受到的冲刷比固定水位冲刷时要严重,也更为复杂 。     

植被作用下的复式河槽流速分布特性

通过水槽试验，探讨了不同滩地植物 (乔木、灌木和野草) 对复式河槽流速分布的影响. 详细地介绍试验过程及三维流速仪ADV的测量原理. 试验时， 选塑料吸管、鸭毛和塑料大草分别模拟乔木、灌木和野草. 同时，考虑了流量、床面底坡对 流速分布的影响. 试验结果表明，滩地未种树的复式河槽在大的相对水深时，流速满足对数 分布；滩地种树后，主槽流速增大，流速分布复杂，滩地流速减小，呈 S 形分布，不同植物的S 形分布是不同的. 这种S 型分布将水流划分为3个区的复杂行为，每区的范围与水深，垂线位置和植物类型有关. 床面坡度对流速分布的影响非常明显     

不同高度柔性植被对坡面流水动力特性的影响

基于系列坡面流试验,研究了柔性植被的高度(4 cm,8 cm和15 cm)对坡面流水动力特性的影响.研究表明:覆盖率相同时,4 cm植被阻水效果最好,15cm最差,而该差异随着坡度增大而减小.4 cm和8 cm植被覆盖时,水流阻力系数随雷诺数增加先减小后增加,这是由于雷诺数较小时水流阻力主要以床面阻力为主,雷诺增大时主要以植被阻力为主.另外,通过染色剂法测得光滑床面平均流速修正系数为0.2～0.4,有植被覆盖床面为0.4～0.8,且修正系数随平均流速增大而增大.     

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.     

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140 $\mu$m, 220 $\mu$m, 350$\mu$m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 ($Re_R=RU/\upsilon$), 固体颗粒的体积浓度为$3.0\times10^{-5}$. 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.      

基于颗粒离散元的沙纹演变大涡模拟研究

应用大涡模拟、"点球" 浸入边界法和基于"事件驱动" 模型和"弹簧-阻尼" 模型的颗粒离散元法, 数值模拟了明渠湍流中沙纹的演变. 通过对不同谢尔兹数下无沙纹床面的推移质输沙率进行计算, 并与经典输沙率公式进行对比, 验证了模型的精度和可靠性. 随后, 对明渠湍流中沙纹床面的演变过程进行了数值模拟, 计算了有沙纹床面的推移质输沙率、沙纹长度和高度、等效床面高度的最大值、最小值和平均值、沙纹形状阻力、体积流速随时间的变化曲线. 研究发现:初始平整的床面在较短的时间内(tU_b=h≈100) 发展出数条沙纹, 随后沙纹逐渐发展, 在tU_b=h为1 600~2 000 时, 沙纹发生合并. 在沙纹数量不变的条件下, 沙纹高度随时间近似呈线性增长, 而沙纹的长度的平均值却保持恒定. 随着沙纹高度的增大, 输沙率和体积流速逐渐降低, 沙纹形状阻力则逐渐增大;当沙纹发生合并时, 沙纹高度快速增加, 输沙率、体积流速和沙纹形状阻力也出现了大幅跳跃. 在同等的水流强度条件下, 有沙纹床面的输沙率小于平整床面的输沙率.      

近壁泊肃叶流中活性粒子迁移规律研究

研究活性粒子在剪切流中的迁移规律对实现颗粒分离和过程强化均具有重要意义.基于耗散粒子动力学理论,建立了描述微通道内近壁泊肃叶流中活性粒子迁移运动的数学模型,考察了活性粒子圆周运动角速度、手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数对大肠杆菌和常规活性粒子横向迁移速度和受迫转向频率的影响规律,并确定近壁剪切流中活性粒子横向迁移的形成机制.结果表明,近壁剪切流场中大肠杆菌的横向迁移速度随剪切速率增大先快速增加继而趋于稳定;大肠杆菌横向迁移速度随圆周运动角速度增大而减小,随手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数的增大而增大;大肠杆菌的受迫转向频率受圆周运动角速度、直行运动速度和转向扩散系数的影响小,而随手性诱导角速度的增大而加快;相比大肠杆菌,常规活性粒子横向迁移速度显著减小、受迫转向频率明显变慢,二者受直行运动速度和转向扩散系数的影响规律与大肠杆菌类似.直行运动是活性粒子形成横向迁移运动的前提,其他运动参数和结构参数均可一定程度促进或抑制活性粒子在近壁剪切流场中的横向迁移.     

土的工程力学性质的颗粒流模拟

基于颗粒流理论,引入不同的颗粒接触连接本构模型,分别建立了砂土和粘性土的颗粒流模型．通过颗粒流数值模型试验,对砂土和粘性土的室内平面应变试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下颗粒流试样与室内试验的应力应变关系曲线,基本再现了砂土和粘性土试样应力．应变关系．通过砂土和粘性土PFC试样剪切带模拟表明,当围压较小时试样内部颗粒位移量小而且分布范围较广,当围压增大时,试样内部颗粒位移量也增大,而且发生较大位移颗粒的分布范围趋于集中,同时随着围压的增大试样内部形成明显的剪切带．无论砂土还是粘性土的PFC试样,随着围压的增加剪切带的形状趋于集中,而且剪切带宽度在减小．在围压很小时,试样内形成大的破坏区域,在围压较大时出现明显的线破坏区．这些规律基本与室内试验结果相似。     

层状两相流动的基本方程式

本文将两相流动的雷诺方程沿深度方向进行平均,出求了平均后的运动方程、连续方程和能量方程式,在适当的物理假定下,简化得到可适用于考虑固-液流动及气-液流动两种情况下的两相层状流动基本方程.     

Gas-particle two-phase turbulent flow in a vertical duct

Two-phase gas-phase turbulent flows at various loadings between the two vertical parallel plates are analyzed. A thermodynamically consistent turbulent two-phase flow model that accounts for the phase fluctuation energy transport and interaction is used. The governing equation of the gas-phase is upgraded to a two-equation low Reynolds number turbulence closure model that can be integrated directly to the wall. A no-slip boundary condition for the gas-phase and slip-boundary condition for the particulate phase are used. The computational model is first applied to dilute gas-particle turbulent flow between two parallel vertical walls. The predicted mean velocity and turbulence intensity profiles are compared with the experimental data of Tsuji et al. (1984) for vertical pipe flows, and good agreement is observed. Examples of additional flow properties such as the phasic fluctuation energy, phasic fluctuation energy production and dissipation, as well as interaction momentum and energy supply terms are also presented and discussed.

Applications to the relatively dense gas-particle turbulent flows in a vertical channel are also studied. The model predictions are compared with the experimental data of Miller & Gidaspow and reasonable agreement is observed. It is shown that flow behavior is strongly affected by the phasic fluctuation energy, and the momentum and energy transfer between the particulate and the fluid constituents.     

高超声速层流尾迹的数值模拟

本文利用无波动、无自由参数、耗散的差分格式(NND格式),通过求解NS方程,数值模拟了高超声速层流尾迹的流动,清晰地给出了主激波、拐角膨胀波、迹激波及自由剪切层,所得流场物理量的分布与实验结果甚为一致。计算发现了底部迴流区由起始向定常的发展中,在瞬时流线图上经历了极限环形成、胀大、缩小、再胀大最后消失的演变过程。     

双圆诱导不可压缩势流的几个精确解

Lagally(1929)给出了两个静止圆在均匀来流中的扰动速度势精确解。本文通过使用 Apollonius 保角变换,将两圆外部区域变为圆环内部区域,并在变换平面上用 Fo-urier 级数方法求解 Laplace 方程,从而得出双圆扰动势流的另外三个精确解。它们分别对应于静止流体中两圆膨胀(收缩)、沿连心线相向(相背)运动和垂直连心线反向运动(错动)所诱导的速势场。     

Numerical solution of the turbulent flow of an incompressible fluid in curved planar and axially symmetrical channels

The governing equations for axially symmetric flow, where the Reynolds stresses are expressed by scalar turbulent viscosity, are the Reynolds equations. The turbulence model k, ? is used in the well-known form for fully developed turbulent flow.The numerical method, a continuation of the MAC system¹, is adapted so that even for high Reynolds cell numbers precision (δx²) can be achieved for the steady flow. Irregular cells join the rectangular network on the curved surface. Von Neumann's stability condition of the linearised numerical system is investigated. Special problems concerning the numerical solution of the turbulence model equations are stated and a special procedure is worked out to ensure that the fields k, ? do not converge to physically meaningless values. The program for the computer is universal in that the boundary problems can be assigned by input data.As an example, an axially symmetrical diffuser with an area ratio of widening 1.40 is computed. Fields of velocity and pressure at the wall as well as fields v_T and k are assessed. The results are compared with an experiment. The conclusion is that this method is suitable for the problems mentioned in this study as well as for unsteady flow.     

雷诺数对三角翼绕流的影响

应用染色液流动显示技术研究了雷诺数对６０°尖前缘三角翼前缘涡破裂位置、背风面流动结构等的影响，并详细分析了背风面流动随攻角的变化．     

Sidewall flow stability in the MHD channel flows

The velocity distribution between two sidewalls is M-shaped for the MHD channel, flows with rectangular cross section and thin conducting walls in a strong transverse magnetic field. Assume that the dimensionless numbersR _m ?1,M, N? 1, and σ* and that the distance between two perpendicular walls is very long in comparison with the distance between two sidewalls. First, the equation for steady flow is established, and the solution of M-shaped velocity distribution is given. Then, an equation for stability of small disturbances is derived based on the velocity distribution obtained. Finally, it is proved that the stability equation for sidewall flow can be transformed into the famous Orr-Sommerfeld equation, in addition, the following theorems are also proved, namely, the analogy theorem, the generalized Rayleigh's theorem, the generalized Fjørtoft's theorem and the generalized Joseph's theorems.     

Theoretical analysis of using airflow to purge residual water in an inclined pipe

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＰｕｒｇｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｌｉｑｕｉｄｉｎａＵ＿ｓｈａｐｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｉｓｃｈａｌｌｅｎｇｅｆｏｒｃｈｅｍｉｃａｌａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｉｎｄｕｓｔｒｙ[1].Ｍａｎｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｐｕｒｇｅｏｕｔｒｅｓｉｄｕａｌｗａｔｅｒ[2 ],ｂｕｔｎｏｎｅｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ .Ｏｎｅｐｏｓｓｉｂｌｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｏｉｎｇｔｈｉｓｈａｓｂｅｅｎｔｏｂｌｏｗａｇｒｅａｔｑｕａｎｔｉｔ…     

Solution of the Incompressible Unsteady Navier–Stokes Equations Only in Terms of the Velocity Components

A method which uses only the velocity components as primitive variables is described for solution of the incompressible unsteady Navier–Stokes equations. The method involves the multiplication of the primitive variable-based Navier–Stokes equations with the unit normal vector of finite volume elements and the integration of the resulting equations along the boundaries of four-node quadrilateral finite volume elements. Therefore, the pressure term is eliminated from the governing equations and any difficulty associated with pressure or vorticity boundary conditions is avoided. The equations are discretized on four-node quadrilateral finite volume elements by using the second-order-accurate central finite differences with the mid-point integral rule in space and the first-order-accurate backward finite differences in time. The resulting system of algebraic equations is solved in coupled form using a direct solver. As a test case, an impulsively accelerated lid-driven cavity flow in a square enclosure is solved in order to verify the accuracy of the present method.     

弯曲渠道中的振荡流和二次流

本文以弯道理想不可压缩流动的流线和等势线为曲线坐标系给出了弯道内不可压缩粘性振荡流动的一阶解以及边界层流型下的二阶解,以直角弯道为例对弯道內的粘性振荡流动以及二次流的影响进行了讨论。