关于流动稳定性的分支解理论

流体运动一般可分为两大类:①层流;②湍流。关于“层流向湍流过渡”的研究,到目前为止,已有许多专题论文和综合评述。本文介绍流体运动稳定性理论的分支解方法。流体运动稳定性理论的主要任务是:找出区分不同流态以及与之相应的流动方式的各种临界值。在流动区域、边界条件和外力场给定以后,支配流体实际运动状态的微分方程组(N-S方程)的解就随流体粘性和初始条件的改变而改变。因此若能找出区分不同流动状态的临界粘性值,那将是很有意义的。通常认为当粘性下降到低于某临界值后,流动就失去稳      

纵向涡对近壁湍流影响的激光测试

用激光测试方法详细地研究了单涡、上洗双涡、下洗双涡对近壁湍流的影响．在涡的下洗区，流体流速高，湍流度低，流体流向壁面；在涡的上洗区，流体流速低，湍流度高，流体远离壁面     

流体运动稳定性和渐近方法

、在自然界中,人们经常可以看到不同流体运动状态间的转变.疾风吹拂平静的湖面,可以掀起轩然大波;上下层的温度逆差可以引起大气、海洋、地幔的对流;小溪中的涓涓细流,可以汇成湍急的江河,一泻千里.在实验室里,Reynolds 通过控制流速(1883年),观察了流体运动从层流到湍流的转变.有时,流体的某种运动状态,虽然也能满足支配流体运动规律的微分方程和边界条件,但这种运动状态是不能维持或存在的,外界的扰动将破坏这种平衡态而使它转变到一种新的运动状态.     

流体黏性对输流管道运动方程及临界流速的影响

考虑实际流体黏性引起的管内流速非均匀分布,针对层流和两种不同的湍流流态,对理想流体情况下输流管道运动方程中的离心力项进行了修正,得到的修正系数分别为1.333(圆管层流)、1.020(光滑管壁圆管湍流)和1.037～1.055(粗糙管壁圆管湍流).根据修正后的运动方程得到的上述3种情况下的发散失稳临界流速比理想流体流动情况下依次分别低13.4%,1.0%和1.8%～2.6%.流体黏性对输流管道运动方程及临界流速的影响只与流态有关,雷诺数决定流态,而黏性系数通过雷诺数间接起作用.     

明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布

利用直接数值模拟、点球浸入边界法和颗粒离散元法相结合的方法, 模拟了颗粒在明渠湍流边界层中的运动, 并对颗粒的瞬时位置进行了Voronoi 分析, 定量研究了颗粒在湍流边界层中的运动和分布规律. 研究发现:颗粒的输运对湍流的统计特征有影响, 其运动与近壁区湍流拟序结构密切相关, 在"喷发"结构作用下被带离壁面, 在"扫掠" 结构和自身重力作用下回到壁面; 在湍流边界层中, 颗粒倾向于聚集在低流速带, 呈条带状分布;颗粒在大部分时间处于"簇"状态, 偶尔跳跃到"空" 状态, 但能够很快回到邻近低速区域.      

Rayleigh-Bénard湍流对流实验研究进展

近十年来,人们的注意力集中到关于Ｒｎｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎａｒｄ硬湍流对流的研究,得到了硬湍流状态下温度场和速度场的主要特征,证实了大尺度环流在热对流中起主导作用等,但对大尺度环流与周围流体及热卷流的相互作用机理还不很清楚,硬湍流是否为Ｒｎｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎａｒｄ对流的极限状态仍有不同看法,本文将对有关这方面的研究进展作一简要的回顾,并就今后的研究工作发表一些看法．     

基于CFD流态分析技术的座便器虹吸管道优化设计

在Fluent软件中应用RNG $k$-$\varepsilon$湍流模型及流体体积函数(VOF)对座便 器内部三维湍流流动进行了雷诺平均N-S方程的数值模拟，得到 了座便器内流场三维流动形态，研究了座便器虹吸管内流动规律，分析了虹吸管形状对流速 分布、压力分布及虹吸性能的影响，以三维湍流场的分析结果为依据，实现了座便器虹吸管 道的优化设计. 通过PIV测试数据验证了三维湍流数值模拟结果的准确性.     

湍流扩散多相流

湍流扩散多相流在许多工程和环境科学实际应用中十分常见.流体相中的湍流和扩散相的随机本质使得湍流扩散多相流中遇到的问题远比单一流体中遇到的湍流现象复杂得多.首先评述了湍流扩散多相流研究中实验技术和数值计算方面的现状、各自的优点与局限性,以及该领域研究中未来面临的挑战.主要关注湍流扩散多相流研究中以下3方面重点内容:颗粒、液滴和气泡的选择性聚积;湍流对流体相和扩散相耦合作用的影响以及颗粒物和气泡的存在对流体相中湍流的调节机制.     

材料表面润湿性调控及减阻性能研究

设计合成不同结构的自组装分子,使其可以在不改变表面粗糙度的情况下改变表面的润湿性能;利用低表面能涂层修饰粗糙表面得到超疏水表面.采用流变仪和水洞试验分别在层流和湍流流动状态下测试了具有不同润湿行为的亲、疏水材料的减阻性能.结果表明:在层流流动状态,随着不同表面的接触角从13°增加到45°、113°和161°,减阻率随之从1.8%增大到7.2%、7.9%和14.9%;在湍流流动状态下,自组装涂层接触角为13°、45°和113°的三组模型的平均减阻率为0.8%、1.9%和6.8%,最大减阻率分别可达3.6%、9.2%和18.0%.两种流体流动中均存在材料表面水接触角增加减阻效率增大的行为.     

基于滑移理论的超疏水表面减阻性能分析

采用滑移理论计算和数值模拟方法研究超疏水表面的减阻性能.层流流动状态的数值模拟和理论计算结果的一致性较好,并可证明滑移速度与通道内流体速度之比与无量纲压降比的数量级相当;湍流状态的数值仿真结果表明,在目前可实现的滑移速度范围内,超疏水表面对水下航行器的流体阻力影响不显著.     

工程湍流模式理论综述及展望

本文讨论了国内外湍流模拟的现状和发展趋势．指出湍流模式的建立除了应遵循理性力学原则外,还必须密切结合工程流体的复杂流动现象,如对具有浮力的回流、分离流及强旋流的模拟,对逆梯度的输运模拟,对单相流、多相流,单流体、多流体的湍流牛顿流体及湍流的非牛顿流体的模拟．应加深对湍流机理的认识,改进湍流模拟手段,结合工程实际,提出较为通用的工程湍流模式．      

弹性湍流及其对微混合效率影响研究的若干进展

介绍和评述弹性湍流的产生及其对于微混合效率的影响等问题上的若干研究进展. 弹性 湍流和惯性湍流具有类似的流场特征,但引发机理有所不同. 惯性湍流产生的原因 是惯性引起的Reynolds应力,而弹性湍流则是由弹性应力所引起的. 鉴于在微流动 中,惯性力可忽略不计,因此牛顿流体的混合变得十分困难. 此时可在流体中加入 微量高分子聚合物以生成黏弹性流体. 由黏弹性流体所引发的弹性湍流在提高流体 微混合的效率上可发挥重要作用.     

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.     

两交错排列弹性管的流致振动特性研究

为了深入研究反应堆结构中诸如燃料棒、蒸汽发生器传热管束等的流致振动问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程,利用有限元方法离散结构动力学方程,并结合动网格技术建立了模拟双向流固耦合作用的三维数值模型,实现了弹性管与弹性管之间以及弹性管与湍流流场之间的交互作用。利用该模型分别研究了节径比P/D为1.2、1.6、2.0、3.0、4.0的两交错排列弹性管在横向湍流作用下的振动响应及流场特性。通过分析发现:两交错排列弹性管的运动轨迹和尾涡结构与其间距、流速密切相关;两交错管的临界节径比为2.0;P/D=3.0时双管的临界流速Upr=2.2,P/D=1.6时双管的临界流速Upr=4.0。     

基于表面设计减阻的水下航行体模型实验与数值分析

针对水下航行体高速航行时提高航速的需要,开展近壁面湍流边界层减阻的研究。进行表面设计使旋涡流动加强导致局部空化从而产生壁面附着的微气泡,以降低流体粘性系数,伴随近壁面湍流结构的改变来实现一定幅度的减阻。设计并进行轴对称体模型在高压循环水洞中的空化现象观测和阻力测量并做了相应条件下的数值计算。。实验和数值结果分析的基本结论比较一致:某种特征表面形貌在湍流中有一定幅度的减阻,局部空化效应在中低流速下牺牲压差阻力而导致航行总阻力升高,在高流速条件下则降低总阻力。     

大气边界层(摘译)

大气边界层的定义:在大尺度空气流中,由于湍流摩擦和科里奥利力共同作用的结果,在行星表面附近形成了大气边界层。大气边界层与一般工程中所考虑的大多数边界层不同。它的特点是受科里奥利力(亦即行星旋转)的影响。也受空气密度分层的影响(通过浮力影响湍流),因而大气边界层是旋转分层重流体中的湍流边界层。      

湍流数值计算的最近发展

湍流是有大量自由度的非线性力学系统,看来是流体的复杂的宏观不规则运动。因此,就是对于最简单的理想湍流——均匀各向同性湍流进行严格的理论分析,也是很困难的。湍流数值计算长期停留在半经验理论阶段。最近十几年来,高速电子计算机的应用,使湍流数值计算发生了巨大变化,根本改变了湍流问题的可解性。现在求出误差在百分之几以内的湍流精确数值结果已变成了现实。相应于计算机的发      

基于流动仿真大数据应对旋涡-湍流的研究进展

文章以流体科学进入二十一世纪后，在大规模超算、云存储、数据通信和人工智能为支撑的大数据时代背景下，结合目前在复旦大学航空航天系所构建的热流体湍流直接数值仿真数据库，以及复旦大学团队近期与美国德州大学刘超群教授、上海理工大学蔡小舒教授以及国内水动力学杂志编辑部所合作开展的第三代涡识别技术研究，初步概念性地展示旋涡和湍流，特别是针对有工程实际背景和直接应用价值的壁湍流，在这两个流体力学关键基础议题上的最新认知，和基于大数据深度学习的相关湍流工程模拟实践成果．这些成果包括：(1) 基于第三代涡识别技术的尾迹湍流中的涡运动学和动力学探索；(2) 流-热统一完整的类-1、类-2湍流边界层壁面律构建；(3) 基于第三代涡识别量对Kolmogorov 幂次律的再认知；(4) 基于DNS统计数据和神经网络深度学习构建新型湍流封闭模型及RANS计算实践．通过这些成果展示，论证解决这两个基础流体科学议题的技术路径，进而促进流体及相关学科研究在现代大数据背景下取得实质性进展和突破，并惠及现代流体、气动、水利、动力和化工等工程领域．     

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.      

湍流理论简述

湍流是自然界的一种流体运动现象,它在我们的周围普遍存在着。在飞驰的汽车后面,大风吹过地面时建筑物或障碍物的旁边,湍急的河流中与河道的拐弯处或桥墩后面,烟囱中冒出的在大气中渐渐扩散的浓烟里等等地方,都能观察到湍流运动现象。简单地说,湍流运动就是流体的一种看起来很不规则的运动。由于这种湍流运动在自然界出现的普遍性,掌握和运用湍流运动的规律,可对国民经济的发展起极重要的作用,尤其在气象、航空、水利、化工等方面有特别重要的意义。近年来,随着生产技术和科学研究事业的迅速发展,更多的领域中提出了越来越多的湍流运动问题需要解决。比如60年代初期,在受控热核反应研究中