基于蚯蚓背孔射流的仿生射流表面减阻性能研究

为了减小流体对固体壁面的阻力, 基于蚯蚓生物学特征, 对蚯蚓背孔射流特性进行分析, 建立仿蚯蚓背孔射流的仿生射流表面计算模型, 采用SST k-ω 湍流模型对仿生射流表面的减阻特性进行数值模拟, 同时对数值模拟结果进行实验验证, 并以此研究了仿蚯蚓背孔射流表面的减阻机理.结果表明, 在一定条件下, 仿蚯蚓背孔射流的仿生射流表面具有较好的减阻效果; 在同一射流方向角下, 随着射流速度的增加, 减阻率逐渐增大; 在同一射流速度下, 随着射流方向角的增加, 减阻率呈先减小后增大的变化趋势; 数值模拟与实验均在射流速度为1 m·s^-1、射流方向角为-30°时达到最大, 分别为8.69%, 7.86%; 射流表面改变了原有光滑壁面的边界层结构, 对壁面边界层进行了有效的控制, 减小了壁面的剪应力, 降低了壁面边界层的速度.     

表面张力对疏水微结构表面减阻的影响

通过构造具有棋盘状微结构的疏水表面,考虑表面张力的影响,利用定常与非定常结合的数值模拟方法,研究了疏水表面在湍流状态下的减阻特性以及微结构内气体封存的效果,其中Re=3000—30000.在低雷诺数下,疏水表面微结构内气体封存状态良好,减阻率最高约为30%;随着雷诺数的增大,压差阻力增大,减阻率有下降趋势.当来流速度过大时,水会大量进入微结构,疏水表面的减阻率变化剧烈,且已经不再减阻.结果表明,表面张力削弱了壁面切应力的影响,使得低雷诺数下微结构内气体能够有效封存,进而减小壁面阻力.     

双尺度疏油结构纳米通道滑移效应的研究

针对双尺度结构表面疏油特性的优异性,采用分子动力学的方法建立油液流体正十六烷烃分子模型,研究双尺度结构壁面润湿性影响下的纳米通道内流体的流动特性,通过对通道壁面亲疏油性下的双尺度结构的构建,与光滑壁面和单尺度壁面进行比较来探究双尺度纳米通道表面结构影响下油液流体在纳米通道内密度分布、速度分布、速度滑移和滑移长度的影响.模拟结果表明:对于亲油通道壁面,双尺度结构壁面亲油性明显加强,主流区域流体密度、流体速度和速度滑移都减小,甚至出现负滑移;而对于疏油通道壁面,双尺度分层结构能加强壁面的疏油性,通道内壁面形成稳定的气层使流体主流区域的密度增大,并且通道内流体的速度、速度滑移和滑移长度明显大于光滑和单尺度结构壁面.因此,纳米通道内双尺度结构能改变通道壁面的润湿性,并且能够加强流体在纳米疏油通道内的滑移减阻效应,为纳米通道内油液运输以及润滑薄膜减阻提供了设计基础.     

运动状态下聚能战斗部侵彻披挂反应装甲靶板的数值模拟

运用LS-DYNA有限元程序模拟了不同横向飞行速度(150、200、300、400、500m/s)和侵彻角度(30°、45°、60°)情况下聚能战斗部对披挂反应装甲后效靶板的侵彻过程,讨论了射流所受干扰情况及其对后效靶板的侵彻结果。研究结果表明:当侵彻角度一定时,射流对靶板表面的切割长度随速度的增大而增大,且在侵彻角度为30°时增大速率最快;但射流侵彻深度随速度的增大而减小,且在侵彻角度为60°时减小速率最慢。当飞行速度一定时,射流对靶板表面的切割长度和侵彻深度均随侵彻角度的增大而减小,且表面切割长度降幅随速度的增大呈先增大后减小的趋势,在速度为300m/s时,降幅最大,为59.6%;而侵彻深度降幅随速度的增大呈先减小后增大的趋势,在速度为350m/s时,降幅最小,为39.3%。最后通过理论方法分析了数值模拟结果,论证了数值模拟方法的正确性。     

基于局部非热平衡模型的发汗冷却过程的数值模拟

本文对水平槽道内发汗冷却建立了包括主流区、多孔壁面区和致密壁面区在内的完整的物理模型和数学描述, 对耦合传热过程开展了数值模拟,对平板发汗冷却的机理进行了深入的研究。研究表明:发汗冷却减小了壁面处的速度梯度,使下壁面边界层明显增厚;随着冷却流体的注入,壁面处的湍流应力明显增大;湍流应力的最大值向没有发汗冷却的壁面一侧偏移,并且增加了最大湍流应力;边界层的增厚使得发汗冷却区域壁面摩擦阻力系数降低。随着冷却剂流量的增大,壁面温度也随之下降;数值模拟结果与实验结果较好地吻合。     

风力机专用翼型表面微沟槽减阻特性研究

采用高升阻比翼型是提高风力机的风能利用率的重要途径,表面微结构在平板及飞行器上具有较好的减阻应用,在风力机翼型上的减阻研究相对较少。本文以弦长为600 mm的Ris?-A1-21风力机专用翼型为研究对象,在吸力面0.53弦长处布置6种不同的横向V型沟槽,基于ANSYS Fluent商用CFD软件,采用结构化网格和Transition SST紊流模型对不同的表面微结构进行数值计算,结果表明V型沟槽总长为4～7.5 mm,无量纲高度h~+和宽度s~+为10～18.5时,可以获得较好的减阻增升效果,在此范围内沟槽数量对翼型的减阻增升的变化规律影响很小,最大升阻比增率可达22.903%。当沟槽总长达到10 mm时,翼型的增升率减小,但其减阻率和升阻比增率优于沟槽长度小的方案。沟槽改变了翼型吸力面的压力分布,通过有/无沟槽的法向速度分析表明,微沟槽使得翼型表面边界层厚度减薄,表面速度梯度增大,从而使翼型的黏性阻力增加,因此V型沟槽的减阻效果主要由压差阻力的减小所引起的。     

三角肋条大涡模拟与减阻机理研究

已有实验表明三角肋条具有较好的表面减阻效果,但雷诺时均湍流模型难以模拟与揭示肋条减阻机理。本文采用大涡模拟(LES)对下壁面安装肋条的槽道流进行模拟,通过减阻率与实验值的对比以及平均速度剖面和脉动速度均方根等与直接数值模拟(DNS)结果的对比确认本文计算的准确性。根据计算的流场细节分析表明:肋条通过增加近壁区的边界层厚度,抑制流向涡的发展,减少近壁活动,使得近肋条壁面的剪切力比平板的剪切力小而获得减阻。     

沟槽壁面减阻机理实验研究

利用IFA300型热线风速仪,测量了光滑壁面和沟槽减阻壁面湍流边界层内的瞬时速度,利用自行设计的阻力天平仪测量了壁面摩擦力。得到了边界层无量纲速度分布和平均湍动能分布。对测得的脉动速度信号,利用离散正交小波变换按时间和尺度分解,得到各尺度分量的湍动能,并且发现其分布在湍流惯性区具有极大值。分析表明,当沟槽有减阻效果时,边界层内的平均湍动能减小,湍流惯性区各分量的湍动能极大值亦减小。     

高温壁面润湿性对气层稳定性及其壁面滑移性能的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的小尺度效应,采用分子动力学方法模拟了传热效应以及流体流动行为,研究在壁面温度影响下,不同润湿性壁面上方气层生成状态以及流体流动时气层的稳定特性和相应的减阻性能.结果表明:当壁面为纯疏水壁面时,不能形成气层;疏水基底+亲水组合壁面形成不规则气层;纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面能形成规则气层.当流体流动时,疏水基底+亲水组合壁面气层消失,而纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面气层较为稳定.纯疏水壁面主流区域速度较大,而纯亲水壁面主流区域最低.对于壁面滑移速度,存在气层的壁面滑移速度与纯疏水表面相对接近,甚至稍优于纯属疏水表面,而疏水基底+亲水组合壁面滑移速度最小.     

合成冷/热射流控制超声速边界层流动稳定性

为了探究超声速边界层流动稳定性及其转捩控制机理,提出基于合成冷/热射流的边界层速度-温度耦合控制方法,并通过数值模拟研究了Ma=4.5超声速平板边界层不稳定波的传播,采用线性稳定性理论中的时间模式分析了壁面吹吸、射流温度、扰动频率、扰动振幅等对不稳定波控制效果的影响.结果表明:无射流控制时,边界层内同时存在不稳定的第一模态扰动波和第二模态扰动波,且二维波形式的第二模态占主导地位;壁面吹吸作用下,仅出现更加不稳定的第二模态,第一模态被抑制;速度-温度耦合控制下,射流温度对扰动模态的不稳定区域大小及扰动增长率影响显著,射流温度与来流温度不同时,温度的脉动使得流动转捩为湍流的速度加快,边界层速度型更加饱满,抗干扰能力增强,流动稳定性提高;高频的吹吸扰动对流场的控制效果优于低频扰动,扰动频率超过400 Hz时,第二模态扰动波时间增长率降低,扰动分量对边界层速度剖面和温度剖面的修正加快,第二模态更加稳定;扰动振幅减小为主流速度的1%时,仅出现时间增长率较小的第二模态,控制效果较好,进一步减小时,第一模态重新出现,并且波数范围与第二模态先重合后分离,对应的时间增长率先增加后减小.研究结果为边界层转捩控制技术提供了新的思路.     

Effects of single synthetic jet on turbulent boundary layer

The turbulent boundary layer (TBL) is actively controlled by the synthetic jet generated from a circular hole. According to the datasets of velocity fields acquired by a time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) system, the average drag reduction rate of 6.2% in the downstream direction of the hole is obtained with control. The results of phase averaging show that the synthetic jet generates one vortex pair each period and the consequent vortex evolves into hairpin vortex in the environment with free-stream, while the reverse vortex decays rapidly. From the statistical average, it can be found that a low-speed streak is generated downstream. Induced by the two vortex legs, the fluid under them converges to the middle. The drag reduction effect produced by the synthetic jet is local, and it reaches a maximum value at x⁺=400, where the drag reduction rate reaches about 12.2%. After the extraction of coherent structure from the spatial two-point correlation analysis, it can be seen that the synthetic jet suppresses the streamwise scale and wall-normal scale of the large scale coherent structure, and slightly weakens the spanwise motion to achieve the effect of drag reduction.     

利用微气泡减小平板湍流摩阻实验研究

设计了一套实验装置研究微气泡减阻的效果.采用高速摄像机对二维平板微气泡湍流边界层进行了定量的可视化观察,用天平测量了平板的摩擦阻力,分析了不同通气量、来流速度、浮力对减阻性能的影响.结果表明,微气泡在高Reynolds数（Re=106）的流动中有效地减小了摩擦阻力,最大减阻率达到36%,证实了微气泡能显著降低平板摩擦阻力,实验结果也表明,随气体流量增加,减阻率增加.      

微通道疏水表面滑移的耗散粒子动力学研究

了解疏水表面的滑移规律对其在流动减阻方面的应用至关重要.利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法研究了微通道疏水表面的滑移现象.采用固定住的粒子并配合修正的向前反弹机制,构建了DPD固体壁面边界模型,利用该边界模型模拟了平板间的Couette流动.研究结果表明,通过调整壁面与流体间排斥作用强度,壁面能实现从无滑移到滑移的转变,壁面与流体间排斥作用越强,即疏水性越强,壁面滑移越明显,并且滑移长度与接触角之间存在近似的二次函数关系.无滑移时壁面附近密度分布均匀,有滑移时壁面附近存在低密度区域,低密度区域阻碍了动量传递,致使壁面产生滑移.     

紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流碰撞特性（英文）北大核心CSCD

采用流体力学模拟方法,建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500μm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征,对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明,在1MPa入射压力时,微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30m/s,其集束匀速喷射距离约为5mm。在此喷射距离时进行垂直喷射,在胶束与工件表面的冲击射流作用区域,其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心,但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈"W"形状,射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2mm处。     

紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流碰撞特性(英)

采用流体力学模拟方法,建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500 m的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征,对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明,在1 MPa入射压力时,微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30 m/s,其集束匀速喷射距离约为5 mm。在此喷射距离时进行垂直喷射,在胶束与工件表面的冲击射流作用区域,其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心,但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈W形状,射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2 mm处。     

Effectiveness of blowing for improving the high-speed trains aerodynamics

The promising method of drag reduction with the use of micro-blowing through the streamlined surface has been proposed for its use to the external surface of high-speed train. The advantages of high-speed train as an object of micro-blowing application are introduced. The corresponding RANS-based mathematical model is elaborated, and the computations of the external flow around a long train body are performed. Predictions of the turbulent boundary layer over penetrable surface with different modes of micro-blowing have been presented and analyzed. The developed modifications of mathematical model of turbulence have been used to take into account the micro-blowing influence in the inner region of turbulent boundary layer. The obtained results of parametric analysis of drag reduction depending on the area of permeable sections, intensity of micro-blowing, and high-speed train length have been analyzed. In particular, the dependence between drag reduction effect and length of train body with realized micro-blowing as well as its intensity is established. Realization of micro-blowing with blowing velocity just 0.25 % of train speed (V = 100 m/s) on the 70 % of the streamlined surface area for just one train carriage (L = 25 m) allows one to reduce the aerodynamic drag (including the most actual friction and head-tail pressure components) of the whole train (L = 200 m) by about 5.25 %, so in case of micro-blowing realization on all its 8 carriages, the train’s aerodynamic drag can be reduced approximately by 42 %.     

Turbulent plane wall jets over smooth and rough surfaces

Large-eddy simulations were carried out to study the effects of surface roughness on a plane wall-jet using the Lagrangian dynamic eddy-viscosity subgrid-scale model, at Re = 7500 (based on the jet bulk velocity and height). Results over both smooth and rough surfaces were validated by experimental data at the same Reynolds number. As the jet is injected into the still environment, large-scale rollers are generated in the shear layer between the high-momentum fluid of the jet and the surrounding and are convected downstream with the flow. To understand the extent to which the outer-layer structures modify the flow in the inner layer and the extent to which the effect of roughness spreads away from the wall, both instantaneous and mean flow fields were investigated. The results revealed that, for the Reynolds number and roughness height considered in this study, the effect of roughness is mostly confined to the near-wall region of the wall jet. There is no structural difference between the outer layer of the wall jet over the smooth and rough surfaces. Roughness does not affect the size of the outer-layer structures or the scaling of the profiles of Reynolds stresses in the outer layer. However, in the inner layer, roughness redistributes stresses from streamwise to wall-normal and spanwise directions toward isotropy. Contours of joint probability-density function of the streamwise and wall-normal velocity fluctuations at the bottom of the logarithmic region match those of the turbulent boundary layer at the same height; while the traces of the outer-layer structure were detected at the top of the logarithmic region, indicating that they do not affect the flow very close to the wall, but still modify a major portion of the inner layer. This modification must be taken into consideration when the inner layer of a wall jet is compared with the conventional turbulent boundary layer.