剪切流及分离流结构和层流-湍流转捩的研究(成就和问题)

本文介绍了剪切层(边界层,Poiseujlle.流、分离流、尾流)中层流向湍流转捩过程的连续各阶段的实验研究结果,包括:给定流动对外部扰动的敏感性,产生的波(拟序结构)的线性发展,以及引起有序的层流流态破坏的非线性过程.     

阴影法和差分干涉法在分层流密度测量中的应用

本文讨论了用阴影法和差分干涉法测量水-盐两层分层界面上的密度分布。此外,还对一任意密度分布的分层流体作了测量和计算。     

三维动态混合过程界面追踪模拟与表征

建立了振动力场作用下单螺杆挤出机计量段物理模型,在Stokes假设基础上,得到了螺槽内牛顿流体速度分布的解析解。采用自适应步长4阶Runge-Kutta方法,对动态混合过程进行三维数值模拟追踪,计算了示踪剂构形依时演变及界面拉伸速率,对动态混合过程进行了实时表征。结果表明,低频振动时,螺槽内的混合仍然是规则的层流混合,混合效果有待于进一步提高,指出了进一步提高混合效果的措施。     

不同形状混合器中二元颗粒的分聚与混合研究

采用实验、模拟及理论的分析方法, 研究了在圆形混合器、椭圆形混合器、正方形混合器中, 不同转速和填充率条件下, 容器形状对二元颗粒体系分聚与混合的影响. 实验中通过改变转速与填充率, 可获得不同的颗粒分聚与混合图样, 对示踪颗粒运动轨迹的分析发现, 在圆形混合器中, 随着混合器转速的增大, 颗粒在径向的随机性减少;在正方形混合器中, 随着混合器转速的增大, 颗粒在径向的随机性增大.模拟结果发现颗粒流动分为两个区域, 在表面的快速流动和在整体的旋转运动. 通过理论分析发现颗粒分聚在圆形混合器中最明显, 在正方形混合器中最弱, 椭圆形混合器介于二者之间.      

非线性拟协调元与杂交／混合元：Ⅰ．关于Hellinger－Reissner变分原理

给出了非线性拟协调有限元列式方法，将非线性拟协调有限元与基于Ｈｅｌｌｉｎｇｅｒ－Ｒｅｉｓｓｎｅｒ变分原理的杂交／混合有限元进行了比较。     

非线性拟协调元与杂交／混合元：Ⅱ．关于Hu－Washizu变分原理

讨论了增量Ｈｕ－Ｗａｓｈｉｚｕ变分原理，给出了基于Ｈｕ－Ｗａｓｈｉｚｕ变分原理的非线性杂交／混合有限元列式，将非线性拟协调有限元与基于Ｈｕ－Ｗａｓｈｉｚｕ变分原理的非线性杂交／混合有限元进行了比较。     

层结流体中湍流锋面特征的实验研究

在线性分层的水体中；由拖动坚条形栅格产生湍流锋面，通过阴影可视化技术考察了锋面的流态和运动行为，将锋面迹线经过图像处理，获得了锋面运动特征的有关信息：运动速度随时间的增长关系；锋面坍塌的平均无因次特征时间为NTC＝2．9；它随湍流Froude数Fri的增大而减小；锋面的特征尺度Hf与栅格运动的参数有关；当湍流演化成内波时，对锋面与内波运动间的关系进行了初步探讨和分析．     

稳定分层流动中湍流特性的研究综述

本文总结了近60 年来分层流动中湍流特性研究的成果. 主要从两个方面进行了综述:(1) 分层流动中湍流场的演变和混合. 在这方面主要分析稳定分层对湍流混合和湍流结构的影响, 以及混合层内湍流结构的特性和混合层的演化规律. (2) 分层流动中湍流的扩散和输运. 动量和标量的逆梯度输运特性是分层湍流研究的一个重要方向;分析分层对湍流扩散的影响. 并指出了一些值得今后进一步研究的方向.     

界面不稳定性引起湍流混合的二阶封闭模型

在Ｂｅｓｎａｒｄ［１～３］等人的模型基础上发展了一个二阶封闭模型。它比原模型少二个方程,降低了计算量,使模型更具有经济性。并采用各向异性的扩散系数,能够更好地描述各向异性的湍流流场。编写了一维可压缩流体力学湍流混合程序,数值模拟Ｂｒｏｕｉｌｅｔｔｅ［４］等的实验结果。数值模拟结果与实验完全一致。     

Richtmyer-Meshkov不稳定性流体混合区发展的实验研究

使用矩形激波管,在马赫数分别为$M=1.5$和1.7的条件下实验研究了气/液界面 上(即Atwood数$A$接近1时)由Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的流体混合现象. 得到 了气/液界面上Richtmyer-Meshkov不稳定性后期流体混合区域宽度随时间的发展呈现出线 性关系的结果,即$h \propto t$. 比较了不同马赫数和初始扰动下的发展情况,发现当 马赫数增加时,同一时间混合区域 宽度随之增加,混合区域宽度增长变快;而相比于波长差别不大的弱多模态初始扰动(无人 为干扰界面), 当界面初始扰动获得随机外界干扰时,界面混合区域具有较大的宽度以及增 长速度. 并且增加激波马赫数和初始扰动多模态性,流体混合程度更为剧烈.     

分层流体中内孤立波在台阶上的反射和透射

基于匹配渐近展开和格林函数的方法,研究了两层流体系统中内孤立波在台阶地形上透射、 反射及其分裂的演化特征. 通过保角变换和求解奇异Fredholm积分方程,获得了反映地形 效应对Boussinesq方程影响的约化边界条件,藉此建立了KdV演化方程的``初值'问题, 根据散射反演理论获得了反射波和透射波的解析表达式. 分析结果表明：上下流体层的厚度 比、密度比以及台阶高度对于反射和透射波振幅及其分裂具有显著的影响. 尤其当上层流体 厚度小于下层厚度时,由于存在临界点,在其附近反射波的幅值随台阶高度的演化由单调增 变为单调减,透射波的幅值由单调减变为单调增;上台阶的反射波与入射波反相,其最大幅 值可达到入射波的数倍;此外,下台阶反射波也可发展为单支孤立波,它区别于单层流体中 反射波仅为衰减的振荡波列.     

圆筒容器内起旋和降旋过程中分层液体混合现象

针对旋转圆筒容器内的两种分层流体,应用平面激光诱导荧光与高速摄影技术对互溶与不互溶液体进行了实验研究.结果表明,上下层液体密度梯度与黏度梯度方向是产生界面不稳定的关键因素.当二者的梯度方向相同时,起旋过程不会发生剧烈混合,降旋过程中轻流体会冲击重流体;当二者的梯度方向相反时,起旋过程中形成抽吸效应,其后期发生界面破碎,降旋过程中重流体冲击轻流体.在旋转的3个过程中,降旋过程对混合的作用最大,无论梯度方向是否相同,都会发生液体间的界面不稳定.     

连续分层流体中垂直薄板的水动力特性

研究了在线性连续分层流体中水波与半潜式刚性垂直薄板相互作用的问题. 在 Boussinesq近似下,基于分离变量法,导出了具有自由面的平面前进波的色散关系,建立 了半潜式刚性垂直薄板的反射与透射能量、水平波浪力的计算方法. 对给定的频率,当它大 于浮力频率时,流场中只有一种模态的平面前进波,当它小于浮力频率时,流场 中有无数多个模态的平面前进波,并证明了对每一种模态的入射波,其它每个模态水波的反射与透射能量是 相等的. 对水面漂浮和座底半潜式薄板的反射与透射能量,以及作用在薄板上的水平波浪力 进行了数值计算分析,表明了流体的线性连续分层效应对这些水动力的影响是不可忽视 的. 特别地,在入射波频率小于浮力频率时,与第1模态入射波的能量转化量及其对薄板产 生的水平波浪力相比,其它模态入射波的能量转化量及其对薄板产生的水平波浪力都要大得 多.     

导电薄板内电流密度分布与反平面剪切的比拟

定量分析电流密度在含裂纹载流薄板内的分布是当前利用电流热效应止裂技术中一个首先要解决的问题．由于裂纹的存在,电流密度在裂尖形成带奇异性分布的高度密集．现有的分析方法往往比较复杂或局限于特殊布置形式的裂纹．通过电流密度分布与弹性力学里反平面剪切问题的比拟,把分析含裂纹载流薄板内电流密度的分布等效于考虑相应的III型裂纹问题,并比照III型裂纹的应力强度因子来定义电流密度因子．而对于裂纹问题的处理可采用分布位错法这一断裂力学里便利有效的分析手段．由给出的算例可见,所提出的比拟解法可以方便精确地求解电流密度在裂尖附近的奇异分布,并有助于对这一奇异性在概念上的直观理解．