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.     

纵向微结构超疏水壁面湍流边界层减阻实验研究

使用时间分辨的二维粒子图像测速技术 (2D-PIV),测量了超疏水壁面(SHS)在槽道中的湍流边界层。基于边界层厚度的摩擦雷诺数在119至173之间。SHS具有微米级的流向沟槽结构,并在展向上均匀分布。实验发现SHS的摩擦系数均小于光滑壁面,且随雷诺数的增加而减少。当摩擦雷诺数约为150并且气体比例分数为0.65时,阻力比存在一个合理的“极小区域”。所有SHS的阻力比均与摩擦雷诺数呈显著负相关关系,并随着无量纲粗糙度宽度的增加而降低。同时还发现无量纲粗糙度宽度等于4为临界位置,此时初始阻力比会随着无量纲粗糙度宽度的增加沿三次多项式迁移。本文通过分析摩擦雷诺数、气体比例分数以及无量纲粗糙度宽度,提出了包含一种新的无量纲特征参数的减阻模型,该模型展示了与摩擦雷诺数、气体比例分数以及无量纲粗糙度宽度有关的函数关系。本研究结果可以加强关于SHS减阻各相关因素之间的联系,同时为微米级结构的设计提供合理的预测和优化方案。     

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.     

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.      

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.     

Effect of the Turbulent Energy Gradient and the Presence of a Wall on the Turbulent Process of Momentum Transport

A mathematical model of turbulent transport processes is modified to make allowance for the turbulent energy gradient and the presence of walls. The modification consists in making the variance tensor in the Gaussian probability density distribution for the initial mole velocities anisotropic for nonzero turbulent energy gradient and a ratio of the turbulence scale to the distance from the wall of the order of unity. Formulas for the variance tensor components are derived and the empirical coefficients of these formulas are determined. The expression for the dimensionless turbulent friction stress is compared with experimental data for three boundary-layer-type flows, namely, in the wake of a cylinder, in the boundary layer on a flat plate, and in a channel with parallel walls.     

国家数值风洞(NNW)工程中的CFD基础科学问题研究进展

在壁湍流中开展RANS-LES方法混合模拟时, 入口处添加合理的湍流脉动能够缩短流场向完全湍流的发展距离, 提高数值模拟精度以及节省计算资源. 采用SA-IDDES方法对槽道湍流和可压缩湍流边界层开展了数值模拟研究, 对比了3种较为常用的合成湍流方法对流场发展的影响, 包括合成湍流生成器(STG)、数字滤波法(DFM)和合成涡方法(SEM); 研究了不同合成湍流入口条件下流场壁面摩阻、流场结构、雷诺应力的发展过程, 评估了各方法在壁湍流中的表现. 其中在不可压槽道湍流和可压缩湍流边界层的模拟中, STG方法展现了较短的摩阻恢复距离, 流场结构与雷诺应力发展相比DFM也有一定的优势. 在高马赫数湍流边界层的数值模拟中, 忽略热力学量脉动可能会降低合成边界层脉动恢复到物理真实脉动的速度. 因此, 文章进一步基于STG给出的速度脉动, 在入口处通过若干强雷诺比拟方法(SRA, GSRA和HSRA)添加热力学脉动量, 对比研究了对可压缩湍流边界层流场发展的影响, 结果显示是否添加热力学脉动对于流场摩阻和雷诺应力发展影响较小, 但对流场中的热力学量影响显著, 其中GSRA下流场热力学量恢复得最快.     

Computation of shock wave/turbulent boundary layer interactions using a two-equation model with compressibility corrections

In this paper computational results for two different types of shock wave / turbulent boundary layer interaction flows are presented. It is shown that upstream effects of the shock induced separation cannot be reproduced by Wilcox's (1991) k--model, whereas downstream of the interaction, predictions of pressure distribution and skin friction are acceptable. The inclusion of the compressible part of the dissipation rate and the pressure dilatation in the model has noticeable, but not dramatic effects on wall pressure and skin friction in the selected flow cases.     

Geometric shapes of the interface surface of bicomponent flows between two concentric rotating cylinders

In this paper, the shape problem of interface of bicomponent flows between two concentric rotating cylinders is investigated. With tensor analysis, the problem is reduced to an energy functional isoperimetric problem when neglecting the effects of the dissipative energy caused by viscosity. We derive the associated Euler-Lagrangian equation, which is a nonlinear elliptic boundary value problem of the second order. Moreover, by considering the effects of the dissipative energy, we propose another total energy functional to characterize the geometric shape of the interface, and obtain the corresponding Euler-Lagrangian equation, which is also a nonlinear elliptic boundary value problem of the second order. Thus, the problem of the geometric shape is converted into a nonlinear boundary value problem of the second order in both cases.     

沟槽面与光滑面湍流边界层特性比较

应用ＬＤＶ技术对沟槽面及光滑面湍流边界层流速和湍流度分布进行了精细的测量,实验结果表明：与光滑面相比,沟槽面湍流边界层时均流速分布对数公式中具有较大的积分常数Ｃ值,且沟槽面湍流度最大值较小,但其出现的位置距壁面较远。另外,偏斜因子及平坦因子的分布特性区别不大,但是在近壁区内沟槽面结果波动较大。     

Relation of entropy generation to wall ‘laws’ for turbulent flows

For non-dimensional pressure gradients sufficiently low and Reynolds numbers sufficiently high for the constant shear stress approximation to be valid at the first node of a turbulent wall layer computation, relationships for entropy generation rates are applied to popular wall ‘laws’. The resulting observations lead to a simple approach for evaluating the entropy generation rate per unit area in a computational fluid dynamics calculation for situations which satisfy this approximation.     

用三分量LDV测量壁湍流边界层

本文用三分量激光多普勒测速仪对壁湍流边界层进行了测量,经过数据处理后,给出了各湍流参数的分布曲线,并与Ｄｊｅｎｉｄｉ等的测量结果进行了比较,吻合得很好。结果表明,用３Ｄ－ＬＤＶ研究湍流是可行的