近壁区湍流脉动压力相关项的理论模型

提出在湍流边界层近壁区采用三维波的理论模型描述湍流相干结构,根据理论模型计算了Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力输运方程中的脉动速度与脉动压力梯度的相关项,理论计算结果与直接数值模拟（ＤＮＳ）符合很好。表明该理论方法不仅有益于对湍流机制的了解,而且可能为湍流的近壁模型化开辟一条新的途径。     

旋转槽道湍流标量场输运特性数值模拟研究

展向旋转槽道湍流中的标量场输运过程是与众多工程流动直接相关的模型问题。基于直接数值模拟工作对该问题开展系统性的研究。由壁面摩擦速度定义的流动Reynolds数固定在180,重点考察Schmidt数和旋转数的影响。结果表明,较弱旋转强度即可对主导流动结构形态产生明显的影响：此时槽道不稳定侧产生流向大尺度结构,由此导致标量场出现条带状结构。强旋转时不稳定侧出现被湍流充分混合的区域,而在稳定侧流动层流化并出现近似传导区。平均标量剖面在湍流区和层流区呈现斜率不同的线性分布。Schmidt数小于1时,湍流区标量场脉动和湍流输运随旋转数出现非单调变化,而Schmidt数大于等于1时两者都随旋转数单调下降。由此导致总标量传输率在Schmidt数小于1时随旋转数先上升后下降,而当Schmidt数大于1时单调下降且在弱旋转区域下降趋势最快。     

微针肋槽道内去离子水换热特性

设计了槽肋比为1:2和2:1的矩形大长宽比微针肋散热器,并实验研究了去离子水在其内的流动换热性能。结果表明：当进口温度为40 ℃、微针肋槽道在雷诺数小于650、最高壁面温度低于77 ℃时,单位面积散热量可达21.32 W/cm²。当雷诺数一定时,同一个槽道壁面温度沿着流动方向不断增加、同一个位置壁面温度随着加热功率的增加而增大,局部努谢尔数沿着流动方向先减小后逐渐增加并趋于定值。当针肋流动换热长度较长时,其入口效应可以忽略,槽道平均努谢尔数随着雷诺数的增大而增大,与加热功率无关;为了更好地表达微针肋槽道内的换热特性,考虑了槽肋比、流动雷诺数等影响,拟合了去离子水在微针肋槽道内的对流换热关系式。     

微槽道内气体流动特性的实验研究

搭建了微槽道的单相实验台,分析了氮气在不同深／宽比、长径比及水力直径的微槽道中流动特性。层流区的摩擦常数与理论预测值吻合较好（除L=20mm工况）,层流到湍流的转捩均有不同程度的提前（转捩Re数在1000左右）;在湍流区,槽道的长径比变小、相对粗糙度的增大（或水力直径的减小）及长度的减小可使流动阻力增大;拟合出了湍流区...     

近壁湍流的降阶模型及应用

由条带和流向涡的循环再生构成的近壁自维持过程(self-sustaining process, SSP)是壁湍流产生和维持的重要机制. 文章通过对最小槽道的直接数值模拟(direct numerical simulation, DNS)获得近壁自维持过程的流场数据, 采用正规正交分解法(proper orthogonal decomposition, POD)对该数据进行分析, 获得了不同流向和展向尺度的特征模态, 通过将Navier-Stokes方程在这些模态上进行投影, 得到近壁自维持过程的降阶模型, 并采用DNS数据对降阶模型的预测能力进行了评价. 该模型被初步应用于大涡模拟近壁模型的构造.      

槽道湍流展向振荡电磁力控制的实验研究

对槽道湍流的展向振荡电磁力控制进行了实验研究,讨论了展向振荡电磁力对宏观流场、近壁湍流结构以及壁面阻力的影响.采用谱方法进行了数值模拟的对比.数值模拟和实验结果均表明展向振荡电磁力能够使近壁区域的宏观流场产生周期性振荡,并影响壁湍流的条带结构,使其在展向上发生倾斜,从而使壁面阻力减小.     

槽道湍流的展向振荡电磁力壁面减阻

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流的展向振荡电磁力的减阻效果和减阻机理进行了研究,讨论了电磁力强度和振荡频率对湍流猝发事件以及壁面减阻率的影响.结果表明,电磁力强度或振荡频率变化时,湍流猝发频率和猝发强度的变化趋势是相反的,所以存在最优参数使得减阻效果最好.等价壁面展向速度可以很好地描述电磁力强度和振荡频率的变化对减阻效果的综合效应。     

充分发展槽道湍流的小波数值分析

数值计算了高斯子波变换Navier Stokes(N-S)方程后得到的积分方程.在利用高斯子波得到的以弯曲度为基本量的无穷域中N-S方程的基础上,得到了有界区域内的以弯曲度为基本量的N-S方程.将此N-S方程看作一个特殊的扩散方程,将压力项与对流项看作是源项,得到一个积分方程.利用特征线法对该方程求解,得到通解.并将所得结果运用于对称槽道湍流和非对称槽道湍流的研究中.将计算与实验所得的平均量与实验结果进行了对比.     

风力机尾迹速度场脉动特性的实验研究

利用高频PIV系统对风力机下游远至4.5倍风轮直径范围内的尾流数据进行了采集。首先通过脉动速度均方根云图分析,发现中心涡轨迹区域内粒子脉动轴向速度均方根大于叶尖涡轨迹区域,而叶尖涡轨迹区域内粒子脉动径向速度均方根大于中心涡区域;然后对比1、2、3、4倍风轮直径处所有径向位置的脉动合速度均方根,发现叶尖涡的耗散速度比中心涡要快,所以叶尖涡轨迹区域脉动合速度均方根比中心涡轨迹区域减小得快,同时发现了叶尖涡"交互跳跃"现象。     

含微细颗粒混合气体竖直槽道内冷凝换热特性实验研究

用氮气、水蒸气和褐煤煤粉模拟褐煤烟气混合气体,在水蒸气质量分数为30%,褐煤煤粉颗粒粒径小于70μm,颗粒浓度为0.13~1.37 g/m3,混合气体雷诺数为24331的参数范围下,对含微细颗粒混合气体在竖直槽道内的冷凝换热特性进行实验研究,分析微细颗粒浓度和粒径对混合气体冷凝换热特性的影响。研究结果表明:颗粒在冷凝液膜内伴随冷凝液的流动而运动,换热最终达到稳定状态;随着混合气体中颗粒粒径和颗粒浓度的增大,混合气体显热换热强度减弱。     

小尺寸矩形槽道内气泡生长及运动特性

通过实验研究了液体流动条件下小尺寸矩形槽道底部由微孔注入的气泡生长及运动特性。结合RCD算法与形心提取算法,有效地跟踪了气泡生长及运动轨迹。实验结果表明:气泡的形成过程可分为生长和涌入两个阶段;随着气体流量的增大,后续小气泡的涌入加强,涌入持续时间更长,气泡形成时间增加,等待时间缩短;槽道中小气泡的堆积现象随气体流量的增大而愈加明显。     

横向粗糙元壁面槽道湍流的大涡模拟研究

采用大涡模拟和浸没边界法相结合对不同高度和不同间距横向粗糙元壁面槽道湍流进行了模拟,得到了光滑壁面和粗糙壁面湍流的流向平均速度分布,雷诺剪切应力,脉动速度均方根和近壁区拟序结构。结果发现横向粗糙元降低了流向平均速度,增大了流动阻力,粗糙壁面湍流的雷诺剪切应力大于光滑壁面。粗糙元降低了流向脉动速度,增强了展向和法向脉动速度。粗糙元高度越高,对湍流流动影响越大,而粗糙元间距对湍流统计特性的影响不大。粗糙壁面仍然存在着和光滑壁面类似的条带结构。     

水平槽道内湍流变动的PTV实验研究

本文采用PIV测量技术研究充分发展水平槽道内的两相湍流的变动规律(Re=590)。首先将单相湍流的测量结果与文献中DNS的结果进行了比较,证明了PIV测量湍流脉动的可行性,并通过引入PTV算法获得了近壁对数边界层内的湍流量。对两相流动的测量结果表明,即使在1％的低颗粒质量载荷下,气体湍流已有明显的变动,并且壁面附近和槽道中心的变动规律不同。     

螺杆槽道内气液两相流流型及压降特性研究

本文应用高速摄像技术对螺杆槽道内气液两相流的结构特征进行可视化研究。分析了螺杆槽道内三个视角下的气液两相流型图的变化趋势,并将螺杆槽道的气液两相流型图与Taitel流型图的流型转换边界进行对比分析。在均相流一维的压降计算模型的基础上,本文通过实验数据拟合得到螺杆槽道全液相摩阻倍增系数,分析质量含气率及液体流速对螺杆槽道压降的影响。     

旋流泵无叶腔内盐析颗粒湍流脉动特性研究

盐析晶体颗粒脉动特性是研究湍流输运状态下盐析过程的重要问题之一.为探索泵内盐析晶体颗粒湍流脉动规律及其对液相流场的影响,采用相位多普勒粒子速度场仪对旋流式输送泵无叶腔内的盐析湍流流场进行了测量,通过对改变泵运行工况、运行介质温度后颗粒脉动速度分布情况的分析,初步掌握了无叶腔中盐析晶体颗粒的湍流脉动特性;同时,讨论了晶体颗粒存在对液相湍流结构的影响。实验结果表明,随着流量的增加,颗粒的周向、径向及轴向脉动速度相应提高;盐析颗粒脉动速度值随温度发生变化,较高温度时速度脉动也较大;在一定条件下,盐析晶体颗粒表现出抑制湍流的行为。     

矩形微槽道气体流动的速度分布

矩形微槽道的各个流向截面可以局部近似为平面Poiseuille流动,应用信息保存(IP)方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法计算了从连续介质区到自由分子流区的平面Poiseuille流动,利用其结果对Beskok-Karniadadis公式和质量流率动理论因子进行修正和重新拟合,给出在整个稀薄气体流动领域都适用的微槽道气体流动速度分布.     

槽道流POD重构及湍流动能耗散率分析

采用二维粒子图像测速仪（2DPIV）对槽道内涡波流场进行实验研究,用POD技术对2DPIV瞬态速度矢量场进行主导模态重构,得到槽道内的平均流速和湍流动能分布;采用大涡PIV方法对湍流动能耗散率分布进行计算.结果表明：重构流场表征了原始流场的主导结构,剔除了噪声等干扰信息;大涡PIV方法能有效地估算动能耗散率的分布;湍流动能在壁面附近较小,在接近槽道中心区域湍流动能越来越大,呈现出射流的特征;动能耗散率的峰值出现在壁面附近和槽道中心区域,动能耗散率随着远离壁面程度的增加先降低后逐渐增加直至达到峰值.     

喷雾撞壁后近壁区域火焰发展及碳烟生成研究

本文基于多尺度液滴撞壁形态提出了新的考虑了不同飞溅状态的撞壁模型。结合容弹实验研究了近壁区域喷雾撞壁后火焰发展过程,对影响近壁区燃烧过程及碳烟生成规律的边界温度进行了探讨。结果表明,环境温度和壁面温度对喷雾撞壁后的液膜沉积量以及后续的燃烧过程影响显著。碳烟产生峰值直接和壁面燃油沉积量呈正相关,而较高的近壁区域温度可加速燃油蒸发并减少燃油沉积量。燃油沉积量的不同,其火焰发展形式不同:当沉积燃油较少时,近壁混合气形成较快,从而维持了稳定的燃烧过程;而当沉积燃油较多时,近壁区域的燃烧呈现不稳定的池火过程。随着环境温度和壁温的增加,油膜燃烧时刻提前并形成可燃混合气,从而加速了碳烟的生成和氧化。     

矩形微槽道内R134a流动沸腾换热特性的实验研究

本文主要研究了制冷剂R134a.在水平矩形(截面为1 mm×1 mm)微槽道内的流动沸腾换热特性。通过可视化手段观察到流动沸腾过程中的流型变化。同时得到了质量流速在60~1100 kg/(m~2s)、热流密度在33~120 kW/m~2时的流动沸腾换热系数,并对R134a的沸腾曲线作了讨论。通过可视化结果,发现了从泡状流到干涸流的7种流型。换热系数随着热流密度的增加而增加,干涸流的出现会导致换热系数迅速减小。核态沸腾传热在受限气泡到弹状流阶段得到增强。在搅混-环状流到环状流阶段,R134a的传热系数稳定在一个较高的值。此外,质量流速越大,CHF值越高。