提取壁湍流相干结构的数字滤波法

以三丝热线探头测得平板湍流边界层的数据为对象，提出用数字滤波技术将湍流信号分解为接近各向同性的小尺度涡和非各向同性的大尺度涡的方法。并用条件采样技术从大涡信号中提取相干结构。     

壁湍流相干结构的教学实验（八）—用数字滤波法检测壁湍流相干结构

通过用三丝热膜探针测量湍流边界层的三个速度分量对壁端相干结构进行了实验研究,介绍了检测壁湍流相干结构的数字滤波法。     

壁湍流相干结构的教学实验(七)--用象限法检测壁湍流相干结构

介绍了检测壁湍流相干结构的ｕｖ象限分裂法。     

壁湍流相干结构的教学实验(八)─—用数字滤波法检测壁湍流相干结构

通过用三丝热膜探针测量湍流边界层的三个速度分量对壁湍流相干结构进行了实验研究，介绍了检测壁湍流相干结构的数字滤波法．     

固壁温度对壁湍流相干结构的影响

用半导体元件对平板进行加热，用ＶＩＴＡ法和ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法两种条件采样技术研究了固壁温度对湍流相干结构的影响，改进了Ｔｉｅｄｅｒｍａｎ等人提出的“归组”方法，并且用“归组”的ＶＩ－ＴＡ法和ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法研究了固壁加热对湍流猝发平均周期的影响．实验结果表明，固壁加热使得湍流脉动速度均方根值变大，条件采样检测到的事件数量增多，但猝发周期维持不变     

壁湍流相干结构和减阻控制机理

剪切湍流中相干结构的发现是上世纪湍流研究的重大进展之一,这些大尺度的相干运动在湍流的动力学过程中起重要作用,也为湍流的控制指出了新的方向.壁湍流高摩擦阻力的产生与近壁区流动结构密切相关,基于近壁区湍流动力学过程的减阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力,但是随着雷诺数的升高, 这些控制方案的有效性逐渐降低.近年来研究发现, 在高雷诺数情况下外区存在大尺度的相干运动,这种大尺度运动对近壁区湍流和壁面摩擦阻力的产生有重要影响,为高雷诺数湍流减阻控制策略的设计提出了新的挑战.该文将对壁湍流相干结构的研究历史加以简单的回顾,重点介绍近壁区相干结构及其控制机理、近年来高雷诺数外区大尺度运动的研究进展,在此基础上提出高雷诺数减阻控制研究的关键科学问题.      

壁湍流相干结构的教学实验(一)──湍流近壁区相干结构的流动显示

用氢气泡流动显示方法对平板湍流边界层近壁区相干结构的猝发过程进行形象、直观的研究,仔细观察低速条纹的抬升－振荡－喷射－破碎以及高速流体扫掠的细节和完整过程。     

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.     

二维槽道湍流数值模拟与白组织特性

从流体力学基本方程出发,讨论了二维槽道湍流的衰减特性,通过对流场施加合适的体积力,采用拟谱方法对二维槽道强制湍流进行了数值模拟.研究了二维槽道衰减湍流的自组织与逆能量级串特性,再现了二维槽道衰减湍流中湍涡的自组织过程,以及不同波数湍流结构所携能量在自组织过程中的变化,并解释了二维槽道湍流平均速度曲线特征以及海洋环流所特有的自然现象.     

剪切湍流大尺度相干结构的模式研究

发展了一种计算剪切湍流大尺度相干结构的新模式．该模式的基础是认为大尺度相干结构为湍流场中流体脉动能量增长最快的那部分，且包含大部分的湍流脉动能量．在此基础上。通过对湍流相干能量方程的推演。建立了描述大尺度相干结构的特征控制方程，并应用Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ多项式方法求得湍流相干能量的最大增长率在波数空间的分布，从而获得对应的大尺度相干结构．应用该模式研究了槽流和一自然对流中的大尺度相干结构，得到的近壁区流动结构与实验现象十分接近．     

明渠中跌坎后突扩分离流数值研究

利用大涡模拟技术，对明渠中跌坎后的二维突扩分离流结构进行了数值模拟，探讨了这类典型分离流各特征区的流动性质，分析了再附区壁面上不同测点处脉动压力的统计特征，并与试验结果进行了比较．在数值模拟中，采用了弱压缩流的控制方程和非均匀网格系统．     

火炮制退机流场的数值模拟

利用Rodi ASM模型和SIMPLER计算程式对接近于实际结构的制退机流场做了数值模拟,获得了制退机湍流流场的结构,并对数值模拟结果进行了分析,数值模拟结果揭示了制退机流场中存在流动截面收缩现象。     

A DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF CHANNEL FLOW TRANSITION UNDER AN EXTERNAL BODY FORCE

This research seeks to increase our understanding on the laminar-turbulent transition under an external body force. Direct numerical simulation by the spectral method with a weak formulation is used to solve the transient 3-D Navier-Stokes equations. Initial disturbances consist of the finite-amplitude 2-D Tollmien-Schlichting wave and two 3-D oblique waves. Competitions among different modes were computed during transition for different Richardson numbers.

It is found that the body force can modify the transition mechanism of flows between two vertical plates. The body force was found to hasten the formation of three-dimensional flow. A non-laminar flow induced by the body force may present when the background flow is still laminar.     

壁面展向周期振动的槽道湍流减阻机理的研究

利用直接数值模拟研究了带有壁面展向周期振动的槽道湍流.壁面在展向的周期运动使湍流受到抑制,并使壁面摩擦阻力减小.通过对雷诺应力输运方程的分析研究了壁面展向周期振动的减阻机理,进一步揭示了压力变形项在湍流抑制中的关键作用.     

A NUMERICAL STUDY OF THE STRESS DISTRIBUTION IN HOPPER FLOW

The stress distributions of granular flow in a cylindrical hopper with fiat bottom are investigated by means of a combined approach of discrete element method (DEM) and averaging method. The filling and discharge of the hopper flow are first simulated at a particle level by means of a modified DEM. The results are then used to determine the velocity and stress profiles of the hopper flow by means of an averaging method. The analysis is focused on a central section plane of the hopper due to the relatively perfect axial symmetry. The velocity profiles are illustrated to be consistent with those obtained by the previous experiments, confirming the validity of the proposed approach. The distributions of four components of the planar stress tensor at different heights are quantified. It is shown that the vertical normal stress increases with increasing the height near the central axis, the horizontal normal stress varies more slowly at a higher level and is almost constant when the height is equal to or greater than about 12 particle diameter, and the magnitudes of two shear stresses are equal at the central zone of the hopper but not so at the points near the walls. The dependence of stress distributions on the wall mechanical properties such as sliding resistance and rolling resistance is also discussed.     

节水水嘴起泡器气液两相流数值模拟

为了研究节水水嘴起泡器内部两相流的流动规律,采用Fluent软件对其内部流场进行数值模拟.根据起泡器内部流场的流动特性,采用欧拉两相流模型以及RNG(re—normalization group)κ-ε湍流模型,分析起泡器出口截面气液两相体积分数和速度的分布特点.结果表明:增大入口水流速度可以加快分散出口截面气液两相的分布,缩短流体流动的稳定时间;整流网具有分散流体,降低流速的作用;错开整流网相邻层之间的网格可以改善出口截面的液相分布;本模型中整流网采用三层网格达到较好的出水效果.     

钝头体高超声速绕流底部失稳特征数值模拟

利用数值模拟方法对高超声速钝锥及Apollo返回舱底部尾迹流场进行了研究, 分析尾迹流动的失稳过程. 对钝锥模型, 在M_∞=6, Re=1.71× 10⁶(Re以球头半径为参考长度)条件下观察到了底部流动的不稳定性. 不添加任何扰动, 数值模拟首先得到的流动是稳定解, 在底部发展出一个主分离区和一个二次分离区, 流动是轴对称状态. 继续进行计算, 发现二次分离线率先变形, 底部流场发展出非定常周期流动. 对Apollo返回舱模型, 在相同条件下 (Re以前面圆弧半径为参考长度), 数值模拟首先得到的流动同样是稳定解, 出现以二次分离线率先变形为起始的结构失稳, 演化出周期性过程, 但持续时间较短, 很快出现了非周期非对称状态. 研究表明, 高超声速钝锥及Apollo返回舱底部流场均存在不稳定性问题, Apollo返回舱的底部流场更加不稳定.     

STUDY OF NON-SUBMERGED GROIN TURBULENCE FLOW IN A SHALLOW OPEN CHANNEL BYLES

采用动态亚格子模式和浸没边界法,对宽浅槽道中的丁坝群绕流的水动力学特性进行了三维大涡模拟研究. 利用丁坝绕流,试验中采用粒子图像测速仪(particle image velocimetry, PIV)测量的试验中自由水面处的时间平均流速和湍动强度数据对模型进行率定,结果表明计算结果与试验数据吻合良好. 丁坝长度与丁坝之间距离的比值L/D对丁坝周围的水流流动形式、湍流强度、涡量分布有显著影响. 在L保持不变并且L/D较大时,丁坝之间的距离D较小,这限制了混合层的发展,因此混合层中的湍动强度和涡量都较小;同时丁坝之间的回流区的流线形式也发生明显变化. 此外,还给出了涡体在丁坝坝头附近产生,发展并向下游输运的动态过程.     

平板湍流边界层底层的不稳定波

湍流边界层底层的相干结构及猝发现象对决定边界层的特性有很重要的意义,但直至现在对相干结构的性质及起因仍不清楚。在本文中,对湍流边界层的底层进行了非线性稳定性分析,发现该处确可产生不稳定波,可能用以说明相干结构的起因。