双差动声-光频移二维激光测速系统及其应用

我们研制了一种双差动声-光频移二维激光测速系统。全套系统由偏振分离二维光路、双差动声-光频移装置、信号和微机数据处理系统等组成,具有功能广、信噪比较高、信息利用率高等特点,为测量二维复杂流动提供了比较完整的技术和手段。应用此系统测量了非对称突扩管道和气流绕矩形障碍物上下游的二维湍流分离流场,得到了二维平均速度、湍流度、雷诺应力分布以及速度概率密度函数和湍流功率谱等流动参数。实验雷诺数对非对称突扩水流为Re_H=5900,对绕障碍物气流为Re_H=4500。     

湍流边界层拟序结构的实验研究

20世纪60年代后, 先后从流动显示发现了快慢斑、猝发、上升流、下扫流和多种涡结构等湍流边界层的拟序结构. 它们对湍流边界层的摩阻、传热传质和湍动能的产生等特性有重要影响. 涡结构是上述拟序结构的核心, 它影响其它拟序结构的发展和演变. 发卡涡通常被认为是基本涡结构. 发卡涡等涡结构的再生, 是湍流边界层拟序结构能够自持续的必要的因素.壁面低速流上升产生猝发, 是湍流边界层湍能的主要来源; 条件采样是测量猝发频率和其它拟序结构出现频率的重要手段. 流动显示对湍流边界层拟序结构作了大量定性观察, 有许多减阻和增加传热率等应用性研究在此基础上发展起来. 80年代后, 出现了测量湍流边界层的瞬时流速矢量场的多热线法和PIV技术, 三维PIV技术可望将来为湍流边界层的实验研究带来重大进展. 本文评述了流动显示法、多热线法和PIV技术的优点和不足之处, 以及它们在对湍流边界层拟序结构的研究中的贡献.      

二维曲壁扩压器内湍流边界层分离的研究

本文应用二维双色四光束激光多普勒测速仪和压强探针样细地测量了二维非对称曲面扩张通道内的不可压湍流边界层分离流动，得到了时均速度和雷诺剪应力以及正反向间歇流动因子和静压分布。实验结果分析表明；湍流边界层分离时，沿边界层高度方向存在着明显的压强差。压强差的极小值对应于位移厚度曲率的极大值和瞬时间歇分离点。Ｂａｒｄｉｎａ对数尾迹律可以较好地描述瞬时间歇分离点之前的边界层速度分布，但无法描述分离的边界层速     

明流光滑平板边界层特性

本文应用正交偏振差动式激光测速系统,测量了明渠水流中顺流放置的光滑平板上边界层内的流速分布。特别是由于仪器的改进,比较详尽地量测了粘性底层中的流速分布,从而确定了壁面切应力。文中给出了切应力系数与雷诺数Re_x=U_0x/v的关系。 试验研究发现明流光滑平板边界层中,与无限边界绕流平板边界层一样,沿平板有层流边界层,转捩区和紊流边界层三部分。边界层厚度的计算公式也基本相同,明流平板的紊流边界层具有分区性质,沿高度将边界层分为粘性底层,过渡区和紊流区。在过渡区和紊流区中流速分布可用指数方程u/U_0=M(y/δ)~(1/n)表示。过渡区中n值在2—3之间。紊流区中M=1.0,n值随Re_x而变化,n=1.17Re_x~(0.135)紊流区也可用对数公式u~+=5.95logy~++5.48。这些公式中的常数与无限边界绕流平板边界层的情况略有差别,粘性底层中流速为线性分布,u~+=y~+。     

基于涡粘性模型的翼型湍流流场熵产率计算

利用有限体积法实现了基于非正交同位网格的SIMPLE算法。基于熵分析方法,采用涡粘性模型求解湍流熵产方程,系统研究了湍流模型对二维翼型绕流流场熵产率的影响。通过计算NACA0012翼型在来流雷诺数为2.88×106时,0°攻角~16.5°攻角范围内的翼型表面压力系数分布和升阻力特性,验证了算法及程序的正确性。结果表明,选择不同湍流模型时,翼型流场熵产的计算结果存在差异,湍流耗散是引起流场熵产的主要原因;翼型流场的熵产主要发生在翼型前缘区、壁面边界层和翼型尾流区域,流场熵产率与翼型阻力系数线性相关;当产生分离涡时,粘性耗散引起的熵产下降。     

床面上直立圆柱的三维湍流数值模拟

从数值预报桥墩等结构物床面局部冲刷的角度发展绕直立圆柱的三维湍流的数值模拟技术. 基于Wilcox的k-ω两方程湍流模式，采用基于有限体积法的压力修正SIMPLE算法, 计算了绕床面直立圆柱的三维湍流流场，分析了光滑和粗糙床面两种情况下的流动情况. 通过系列的验证计算，表明该计算模型能够比较准确地反映不同外来流条件下绕直立圆柱的流场. 计算结果揭示了床面粗糙度对绕圆柱的湍流流动的影响.     

逆压梯度边界层未分离情况下的湍流模式适用性研究Turbulence model applicability for boundary layer flow with adverse pressure gradient in attached case

边界层逆压梯度作用下的流动是许多工程中的一个基础问题,由于逆压梯度作用,流动形态复杂,使得数值模拟有很大的难度。基于雷诺平均纳维‐斯托克斯RANS（Reynolds Averaged Navier‐Stokes）方程对二维平板逆压梯度边界层作数值计算研究,选取6种代表性的湍流模式,得到局部摩擦系数的数值解,与实验值比较,发现k‐ω模式具有很好的精度。基于该湍流模式,给出了湍动能分布,该结果有助于认识逆压梯度边界层流动的复杂特征。     

逆压梯度边界层未分离情况下的湍流模式适用性研究

边界层逆压梯度作用下的流动是许多工程中的一个基础问题,由于逆压梯度作用,流动形态复杂,使得数值模拟有很大的难度。基于雷诺平均纳维-斯托克斯RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程对二维平板逆压梯度边界层作数值计算研究,选取6种代表性的湍流模式,得到局部摩擦系数的数值解,与实验值比较,发现k-ω模式具有很好的精度。基于该湍流模式,给出了湍动能分布,该结果有助于认识逆压梯度边界层流动的复杂特征。     

应用于激波/边界层相互作用的非线性湍流模式

选择8个近年来有代表性的非线性湍流模式，研究2个跨声速激波／边界层相互作用问题．采用的非线性湍流模式包括4个二阶模式和4个三阶模式．2个跨声速激波／边界层相互作用的流动是轴对称圆弧突起绕流和二维管道突起流动．通过数值计算结果和实验结果的比较，对有关的非线性湍流模式进行评估和分析．计算结果表明，非线性模式的模化系数与平均流动应变不变量以及涡量不变量有关，反映了湍流的各向异性，比线性模式优越得多．     

河口混合与泥沙输运

根据振荡边界层理论和波流分解方法,导出了河口往复水流的流速垂向分布廓线,据此建立了河口垂向准二维水流、盐度、泥沙运动模型。对泥沙输运,完整地考虑了其对流、扩散、起动和沉降的动力学过程。模拟结果与实测资料进行了对比。应用该模型研究河口泥沙输运,分析了河口混合对泥沙输运的影响及最大浑浊带的时空变化规律。     

湍流边界层流场与噪声实验研究

在重力式水洞中进行了水翼及半翼湍流边界层流场与噪声的实验研究。测量了水翼及半翼边界层附近的湍流脉动速度场;测量了半翼翼型表面三点处的压力脉动及其辐射噪声,测量了水翼内部测点的噪声及外部辐射噪声,在不同流速、不同攻角、光滑和粗糙翼面的情况下都进行了测量分析。试验结果发现,上述因素对模型的边界层湍流速度场有显著影响,15度攻角时,翼面附近湍流强度要比0度时大得多,粗糙翼面附近的湍流强度比光滑的大,而湍流强度随来流速度的变化不大,u(来流）方向和v方向的湍流强度量级相当;一般地,翼面压力脉动、翼内部噪声及外部噪声都是随来流速度的增大而增大,随攻角的增大而增大,粗糙翼面时的结果要比光滑翼面的大。从压力脉动与噪声测量结果与相应的流场测量结果比较可知,可以从湍流区域的湍流强度来判断出声源强度的定性变化。     

明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布

利用直接数值模拟、点球浸入边界法和颗粒离散元法相结合的方法, 模拟了颗粒在明渠湍流边界层中的运动, 并对颗粒的瞬时位置进行了Voronoi 分析, 定量研究了颗粒在湍流边界层中的运动和分布规律. 研究发现:颗粒的输运对湍流的统计特征有影响, 其运动与近壁区湍流拟序结构密切相关, 在"喷发"结构作用下被带离壁面, 在"扫掠" 结构和自身重力作用下回到壁面; 在湍流边界层中, 颗粒倾向于聚集在低流速带, 呈条带状分布;颗粒在大部分时间处于"簇"状态, 偶尔跳跃到"空" 状态, 但能够很快回到邻近低速区域.      

基于涡粘性模型的翼型湍流流场熵产率计算

利用有限体积法实现了基于非正交同位网格的SIMPLE算法。基于熵分析方法,采用涡粘性模型求解湍流熵产方程,系统研究了湍流模型对二维翼型绕流流场熵产率的影响。通过计算NACA0012翼型在来流雷诺数为2.88×10⁶时,0°攻角~16.5°攻角范围内的翼型表面压力系数分布和升阻力特性,验证了算法及程序的正确性。结果表明,选择不同湍流模型时,翼型流场熵产的计算结果存在差异,湍流耗散是引起流场熵产的主要原因;翼型流场的熵产主要发生在翼型前缘区、壁面边界层和翼型尾流区域,流场熵产率与翼型阻力系数线性相关;当产生分离涡时,粘性耗散引起的熵产下降。     

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。     

一种新型转捩技术在跨音速风洞中的应用

针对传统金刚砂粗糙带在跨音速增压风洞实验中易脱落、随机误差大等问题,设计一种新型斑点型粗糙带,解决了大动压条件下,在模型表面实现固定转捩的问题。应用萘升华流动显示技术,分析了固定转捩和自由转捩条件下边界层变化情况;由测力实验得到GBM-01(AGARD-B)标准模型不同Ma数下的气动特性, 并与国外大风洞实验数据进行了比较。实验结果表明：新型斑点型粗糙带能够将层流边界层转变为湍流边界层,可以获得具有高雷诺数特点的数据,且强度高,是一种具有广阔应用前景的新型转捩技术。     

蜿蜒边界下平面流的线性流动稳定性

为便于数值分析,蜿蜒河流水动力和演变模型中一般隐性假设二次时均流-二次涡的关系与明渠流时均流-明渠湍流的关系相同,但由于高雷诺数下的DNS算力限制和实验尺度限制,这种隐含假设是否成立目前尚无相关湍流研究来支撑.文章试图通过分析明渠湍流和二次湍流发展初期的研究,侧面揭示其湍流结构的异同.通过对曲线正交坐标系下的平面二维NS方程使用双参数摄动的方法,建立了一种求解蜿蜒边界弱非线性层流的摄动解法,并推导得出一个适用于蜿蜒边界的EOS方程以及其特征值问题的解法.蜿蜒边界下弱非线性层流解为一系列蜿蜒谐波分量的叠加,其中线性部分使得两壁产生流速差,非线性部分随着雷诺数增大呈指数增长.水流的扰动增长率特征谱的第一模态与直道流相似,由3条曲线、4个波段合成,但其长波段和短波段的扰动流场与直道流不同,所有短波段的扰动流速近似于KH涡.蜿蜒边界对内部水流扰动有一定的选择性.偏角幅值越大扰动增长越快;蜿蜒波数的影响则为先增后减,有一个使扰动增长最快的蜿蜒波数.扰动流场由一个典型的TS波和一对波包形式的二次涡叠加而成,波包只有纵向流速分量,包络线由蜿蜒波数控制,波包内是与直道扰动波参数相同的TS波.     

模拟不同节理粗糙度对单裂隙渗流的影响

在研究岩体裂隙间的渗流特性时,节理粗糙度会影响裂隙水流的渗流特性和路径,因此需要对粗糙表面进行恰当的描述。本文选取伸长率、最大起伏高度、最大起伏角和分维数4个参数刻画粗糙度。结合分维数的计算方法,选择当最大起伏高度为2.5mm、节理宽度为5mm时,随机生成4组直线和曲线节理边界。建立二维模型模拟发现,最大起伏角、伸长率和分维数是影响水流流速分布的敏感因素。在节理最高起伏处的下边界,流速值最大。此外,粗糙度的方向性对渗流影响较大。同等节理条件下,可发现沿水流方向,最大起伏高度的位置越靠后,越能抑制最大流速值,从而减小渗流破坏。最后,根据规则锯齿状的节理试验分析表明,在外力条件下,渗流量一定时,节理通道一旦发生改变,内部形成的漩涡便与水流的有效路径呈现负相关关系。     

Spalding公式在脊状表面湍壁摩擦力测量中的应用

在低速风洞中来流速度一定的情况下使用IFA300恒温热线风速仪测量了光滑表面和两种不同尺寸的脊状表面湍流边界层平均速度分布剖面,并验证了试验段湍流发展的充分性;通过应用Spalding壁面公式使用最小二乘法精准拟合了实验测量的边界层内层速度分布曲线,得到了湍流边界层壁面摩擦速度并进一步求得湍流壁面摩擦应力,较准确地计算出脊状表面的虚拟原点位置,并通过与对数律公式拟合结果比较分析,证实了该方法更加准确有效. 最后分别计算了3种实验模型的湍流边界层动量损失厚度. 通过对比脊状表面与光滑表面动量损失厚度和壁面摩擦应力,反映了动量损失厚度的大小与壁面摩擦应力的大小具有一致性,充分证实了脊状表面在湍流中具有一定的减阻效果.      

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。     

暖季强降雨对多年冻土南界斜坡路基稳定性影响分析

为阐明表面活性剂水溶液的减阻作用,使用LDV对零压梯度的二维湍流平板边界层中的CTAB 表面活性剂水溶液的湍流特性进行了实验研究. 结果表明：与牛顿流体相比,CTAB水溶液边 界层的粘性底层增厚;主流时均速度分布有被层流化的趋势,对数分布域上移;主流方向速 度湍动强度峰值减小,且远离壁面,在靠近边界层中部,出现第2峰值;垂直于主流方向的 速度湍动强度受到了大幅度抑制,雷诺应力沿着边界层厚度方向几乎为零. 结果说明CTAB 水溶液具有减弱湍流湍动各个成分相关度的作用,从而能够使雷诺应力降低、湍流能量生成 项减小最终降低流体的输送动力.