绕壁面小障碍物的湍流边界层研究

采用RNGK－ε模型，对统平板壁面上的条柱、方柱等多种不同形状二维小障碍物的固壁剪切湍流进行数值研究，获得了小障碍物下游回流区及其发展区的时均速度场、回流分离点长度和湍流边界层厚度，计算结果与实验比较吻合良好．结果表明，小障碍物在壁面上的设置，明显地改变了平板壁面边界层的湍流形态和结构．     

边界层对壁面湍流流动高分子减阻的影响

以“粘性”机制为理论基础,近年来在壁面湍流高分子减阻研究中提出了一种拉伸的高分子会产生自洽的等效粘度模型,这种等效粘度随离开壁面的距离而改变.通过等效粘度模型与Navier-Stokes方程的结合,运用雷诺应力模型计算壁面湍流减阻,并与基于高分子有限拉伸的非线性弹性哑铃模型的直接数值模拟结果进行比较,进一步校验了此等效粘度理论.通过肋条破坏槽道流中的边界层,显示了边界层对高分子减阻的影响,结果表明只有形成稳定的边界层,高分子才能有减阻作用.边界层是高分子减阻的首要条件,边界层中的粘性底层和对数率分布区之间的缓冲层可能是减阻的主要影响区域.     

高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制分析

高超飞行器在中低空以极高马赫数飞行时,飞行器表面会遇到湍流与高温非平衡效应耦合作用的新问题.这种高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制是新型高超声速飞行器所关注的基础科学问题,厘清此产生机制可以为减阻方法的设计提供指导,具有重要的工程实用价值.本文选取高超声速飞行时楔形体头部斜激波后的高焓流动状态,开展了考虑高温非平衡效应的湍流边界层直接数值模拟研究,并设置同等边界层参数下的低焓完全气体湍流边界层流动作为对比,采用RD (Renard&Deck)分解技术研究了高焓湍流边界层摩阻的主要产生机制,对摩阻产生的主要贡献项积分函数分布进行了详细分析,研究了高温非平衡效应对摩阻产生的影响规律;采用象限分析技术,研究了摩阻分解湍动能生成项的主导流动事件.计算结果表明,高温非平衡效应会使得壁面摩阻脉动条带的流向和展向尺寸均减小.分子黏性耗散项和湍动能生成项是高焓湍流边界层摩阻生成的主要流动过程.分子黏性耗散项主要作用在近壁区,高焓流动的分布与低焓流动存在差异.象限分析表明,上抛和下扫运动是影响摩阻分解中湍动能生成项的主导事件.     

倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟

雷诺切应力是壁湍流高摩擦阻力的重要来源, 有理论认为可以通过壁面生成负雷诺应力(数值上为正)的方式来削弱湍流流场中雷诺应力的分布, 以此获得流动减阻. 而通过对雷诺平均运动方程的法向二次积分, 可以发现壁面生成正雷诺应力(数值上为负)对壁面摩擦阻力系数才有负贡献. 文中在湍流边界层流动的控制区域下边界设置一系列倾斜狭缝, 利用该装置通过周期性吹吸的方法产生壁面生成正(负)雷诺应力, 并采用直接数值模拟方法考察和验证上文提到的减阻理论. 文中采用的湍流边界层流动模型, 其流动雷诺数(基于外流速度及动量损失厚度)从300 发展到860. 文中通过多组数值模拟算例, 考察了射流强度和频率对壁面摩擦阻力系数的影响, 并对比了壁面生成正或负雷诺应力对流动的影响. 研究表明, 壁面生成正雷诺应力控制的减阻率能达到3.26, 而壁面生成负雷诺应力控制的减阻效果较壁面生成正雷诺应力控制的要差; 壁面生成的正雷诺应力对壁面摩擦阻力有负贡献, 而壁面生成的负雷诺应力对壁面摩擦阻力有正贡献; 通过考察控制的收支比, 发现控制方案不能获得能量净收益.      

壁面温度在多参数下对平板边界层的影响研究

为了得到壁面温度在不同来流速度、不同湍流强度条件下对边界层转捩与减阻的影响规律,本文采用Transitionk-kl-ω模型对低来流速度下无压力梯度的光滑平板进行了数值模拟。结果表明,随着来流速度的升高,壁温升高所起到的减阻效果更好,即高来流速度对壁面温度更为敏感。当来流处于中高湍流强度下时,壁温升高能起到推迟转捩的作用,且随着湍流强度的升高,转捩推迟的效果越好,但减阻效果正好相反;当来流处于低湍流强度下时,壁温升高会使得转捩提前发生。壁温升高抑制了边界层内流体的脉动程度,使得层流的稳态不易被破坏,流动更加稳定;同时,壁温升高使得边界层内流体的速度梯度减小,从而降低了壁面摩擦系数,故壁温升高能起到推迟边界层转捩与减阻的作用。     

曲率和旋转对离心叶轮叶片上湍流边界层的影响

本文将曲率和旋转项引入二维湍流边界层动量方程中,导出动量损失厚度的积分关系式。分析了曲率和旋转对湍流结构的直接影响,并提出壁面速度分布律的修正表达式。     

固体颗粒对沟槽湍流边界层影响的实验研究

本文采用粒子图像测速技术(particles image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板湍流边界层中的平壁和沟槽壁面减阻效果的影响. 实验对清水和加入粒径为155 μm聚苯乙烯颗粒的流法向二维速度场信息进行采集, 对不同工况下的平均速度剖面、雷诺应力和湍流度等统计量进行对比, 分析流体在边界层中的行为. 运用空间局部平均结构函数提取了不同工况湍流边界层喷射?扫掠行为的空间拓扑结构并进行比较. 结果发现, 在不同的壁面条件下, 粒子加入后的对数律区中无量纲速度均略大于清水组, 雷诺切应力有所降低, 湍流度有所减弱. 对于不同流场速度下的沟槽而言, 颗粒的加入均降低了壁面附近的阻力, 而颗粒单独作用于光滑壁面的减阻效果并不明显. 加入粒子后的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度下降. 沟槽壁面附近的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度在自由来流速度较大时有所上升, 在速度较小时有所下降. 这表明不同减阻状况下的沟槽均能将大涡破碎成更多的涡, 并且粒子的加入强化了这种破碎作用.      

减阻工况下壁面周期扰动对湍流边界层多尺度的影响

通过在平板壁面施加不同频率振幅的压电陶瓷振子周期性扰动,进行了湍流边界层主动控制减阻的实验研究.在压电陶瓷振子最大减阻工况下(80 V和160Hz),使用单丝边界层探针对压电振子自由端下游2mm处进行测量,得到不同法向位置流向速度信号的时间序列.通过对比施加控制前后的多尺度分析,发现压电振子产生的扰动只对近壁区产生影响,使得近壁区大尺度脉动降低,小尺度脉动强度增大,而对边界层的外区则基本没有影响.进一步对大尺度和小尺度的脉动信号进行条件平均,发现压电振子产生的扰动对小尺度脉动的影响在时间相位上并不均匀,小尺度脉动强度在大尺度脉动为正时比在大尺度脉动为负时具有更明显的增加.这表明壁面周期扰动主要通过使大尺度高速扫掠流体破碎为小尺度结构,来影响相应的高壁面摩擦事件,从而达到减阻效果.      

管道凸起激波/湍流边界层干扰的数值模拟

采用基于部分平均的湍流方程组,模拟了管道凸起流动中两种不同强度的激波-湍流边界层干扰现象,对流场的时均参数与实验值进行了比较,计算得到的壁面压力分布、摩阻系数分布、边界层厚度和速度型与实验值比较吻合很好.结果表明基于部分平均的湍流方程组既能够准确模拟小分离的激波/湍流边界层干扰流动又能够准确模拟大分离的激波/湍流边界层干扰流动,较好地预测了典型的λ激波结构.     

壁面湍流流动中高分子减阻等效粘度模型的验证

近来在壁面湍流高分子减阻研究中,一种拉伸的高分子产生自相一致的等效粘度的理论提了出来,这个等效粘度随离开壁面的距离而增长。本文将此线性分布等效粘度置入Navier-Stokes方程,运用雷诺应力模型计算在壁面湍流中的减阻情况,检验这种等效粘度的可行性。可以发现,此模型可以得到湍流减阻的效果,所得到的减阻率随着等效粘度线...     

MODELLING AND CALCULATION OF THE TURBULENT BOUNDARY LAYER ON A ROTATING CYLINDER SURFACE WITH STRONG SUCTION 1)

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法, 用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动. 首先, 理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动, 外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件. 强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动, 基于这一事实得到了周向速度分布的解析表达式. 其次, 通过引入新参数扩展Cebeci-Smith代数湍流模型, 使其能考虑流线曲率、壁面吸气、低Reynolds数效应等因素. 针对这些因素的综合影响, 采用解析修正和经验参数对模型进行调整. 同时, 基于Reynolds应力湍流模型的仿真结果, 校准代数湍流模型中的经验参数. 最后, 给出基于广义Cebeci-Smith湍流模型的旋转壁面边界层流动的迭代算法, 该算法适用于需要特殊迭代过程的轴向及周向流动均匀情况. 计算了不同旋转速度和吸气强度组合工况下的边界层流动, 其周向速度和湍流强度分布与基于Reynolds应力湍流模型的计算结果非常接近. 并且表明, 当Reynolds应力湍流模型数值模拟预测内筒边界层为稳定层流时, 该方法也再现了相同初始条件下的层流边界层.     

考虑法向压力梯度的三维旋转边界层计算

本文以量级分析为基础,建立了一般曲线坐标系上的三维旋转边界层方程。对旋转在边界层中的影响进行分析之后,提出了一个能够处理壁面法向压力梯度不为零问题的压力梯度迭代方法。在传统的Box法的基础上发展了一套完整的求解三维旋转边界层的方法和程序,并对螺旋面、压气机转子叶面以及圆柱面上的旋转边界层进行了计算,与他人的计算和实验的对比分析表明,该方法和程序是正确的,可用于求解任意几何物面上的三维旋转边界层。     

INVESTIGATION ON THE ATTENUATION OF A ROTATING LIQUID MOTION IN A CYLINDER WITH BOUNDARY RESISTANCE

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理,采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性,采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟,建立了壁面糙率、旋转半径,静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试,验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法,获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程,分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明,边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素,边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快,圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.     

旋转液体在边界阻力作用下的衰减特性分析

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理,采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性,采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟,建立了壁面糙率、旋转半径,静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试,验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法,获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程,分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明,边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素,边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快,圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.      

抽吸和压力梯度在层流边界层转捩过程中的作用

用空间模式的二次稳定性理论研究了抽吸和压力梯度对边界层三维亚谐扰动流动稳定性的影响．数值结果表明，固体边界上的抽吸有明显的层流控制作用，逆压梯度则有较强的不稳定作用．     

抽吸和压力梯度在层流边界层转捩过程中的作用

用空间模式的二次稳定性理论研究了抽吸和压力梯度对边界层三维亚谐扰动流动稳定性的影响．数值结果表明，固体边界上的抽吸有明显的层流控制作用，逆压梯度则有较强的不稳定作用．     

GROUND EFFECT OF FLOW AROUND AN ELLIPTIC CYLINDER IN A TURBULENT BOUNDARY LAYER

The flow characteristics around an elliptic cylinder with an axis ratio of AR=2 located near a flat plate were investigated experimentally. The elliptic cylinder was embedded in a turbulent boundary layer whose thickness is larger than the cylinder height. For comparison, the same experiment was carried out for a circular cylinder having the same vertical height. The Reynolds number based on the height of the cylinder cross-section was 14000. The pressure distributions on the cylinder surface and on the flat plate were measured for various gap distances between the cylinder and the plate. The wake velocity profiles behind the cylinder were measured using hot-wire anemometry. In the near-wake region, the vortices are shed regularly only when the gap ratio is greater than the critical value of G/B=0·4. The critical gap ratio is larger than that of a circular cylinder. The variation of surface pressure distributions on the elliptic cylinder with respect to the gap ratio is much smaller than that on the circular cylinder. This trend is more evident on the upper surface than the lower one. The surface pressures on the flat plate recover faster than those for the case of the circular cylinder at downstream locations. As the gap ratio increases, the drag coefficient of the cylinder itself increases, but the lift coefficient decreases. For all gap ratios tested in this study, the drag coefficient of the elliptic cylinder is about half that of the circular cylinder. The ground effect of the cylinder at small gap ratio constrains the flow passing through the gap, and restricts the vortex shedding from the cylinder, especially in the lower side of the cylinder wake. This constraint effect is more severe for the elliptic cylinder, compared to the circular cylinder. The wake region behind the elliptic cylinder is relatively small and the velocity profiles tend to approach rapidly to those of a flat plate boundary layer     

流对波边界层湍流运动的影响

采用大涡模拟方法和Smagorinsky亚格子模型,求解三维Navier-Stokes方程,研究了波流边界层中的湍流特性．将大涡模拟结果与相应的直接数值模拟结果和实验数据进行比较,吻合较好．获得了不同波雷诺数,不同波流比情况下的大涡模拟数据库,并由此分析了波流边界层中各种湍流统计量,如速度廓线、剪应力、湍流强度等的变化规律．     

粗糙度动力学特性的初步研究

建立了一个描写粗糙壁面附近流场的理论模型，并进行了相应的数值分析，发现粗糙度具有随机边界层外部风速的增大而减小的动力学特性，这与最新的实验结果相符合，说明粗糙度不但是一个与壁面形态有关的几何参数，而且是一个与粗糙壁面附近流场流场情况有关的动力学参数，从理论上打破了粗糙度仅依赖于粗糙壁面几何形态的传统看法。     

FLOW CHARACTERISTICS AROUND AN INCLINED ELLIPTIC CYLINDER IN A TURBULENT BOUNDARY LAYER

The flow characteristics around an inclined elliptic cylinder located near a flat plate were investigated experimentally. The axis ratio of the elliptic cylinder was AR=2. The pressure distributions along the surface of the cylinder and the flat plate were measured by varying the angle of attack of the elliptic cylinder. The velocity profiles behind the cylinder were measured using hot-wire anemometry. When the angle of attack varies, the peak pressure location on the windward cylinder surface moves towards the rear edge of the cylinder, while that on the leeward surface moves towards the front edge of the cylinder. The vortex-shedding frequency also gradually decreases, defining a critical angle of attack for each gap ratio. The location of the minimum pressure on the flat plate surface moves downstream for positive angles of attack, while it moves upstream for negative angles of attack. Negative angles of attack cause a greater disturbance in the boundary layer near the wall compared to positive angles of attack. This shows that the separated wall shear layer from the boundary layer and the lower shear layer of the cylinder wake are strongly merged compared to other cases.