矩形平底渠道淹没水跃区的水头损失

研究了矩形平底明渠淹没水跃区的水头损失。根据Rajaratnam对淹没水跃区的流速分布、壁面切应力、最大流速的试验成果和Verhoff附壁射流区断面流速分布的计算公式,应用紊流边界层理论研究了淹没水跃区的边界层发展和沿程水头损失的计算方法。根据动量方程和能量方程研究了淹没水跃区的跃前断面水深、总水头损失、局部水头损失、消能率的计算方法。给出了淹没水跃区最大流速、紊流边界层厚度、沿程水头损失、总水头损失、局部水头损失、局部阻力系数、消能率的计算方法。研究表明:淹没水跃区的总水头损失是跃前断面弗劳德数、跃前水深和淹没度的函数,沿程水头损失和局部水头损失与跃前断面流速、水深、水跃长度、跃前断面的特征雷诺数和消力池宽度有关。淹没水跃区的水头损失主要是局部水头损失,消能率随着弗劳德数的增加而增加。     

沟槽面湍流边界层结构实验研究

应用激光测速技术和氢气泡流动显示技术对沟槽面湍流边界层特性及近壁区拟序结构特征进行了精细的测量和观察。实验结果表明：与光滑面湍流边界层相比,沟槽面端流边界层的黏性底层厚度、过渡层厚度及流速分布对数公式中的积分常数C均有所增大,说明采用的沟槽面具有减阻特性。此外,无量纲低速带条间距明显减小,最多减小20%,说明无量钢低速带条平均间距的缩短与湍流减阻密切联系。     

有限水深中二维湍流边界层的发展

有限水深中湍流边界层主要是指水流在重力作用下绕建筑物流动时的边界层现象。它区别于一般在无限流场中绕流物体的边界层。它的特点是具有自由表面,边界层有可能发展至全部水深,质量力不容忽视,受到外流流速变化的影响。本实验采用激光流速仪量测二维明渠水流沿程各断面的流速分布,根据实验结果,分析研究了有限水深、粗糙壁面条件下,二维湍流边界层的流速分布特征和厚度发展规律,以及孤立粗糙体对此二者的影响。      

湍流边界层等动量区演化机理的实验研究

等动量区是瞬时流场中流体动量接近的局部区域,其生成和分布与相干结构密切相关.对等动量区的研究有助于更深入认识湍流边界层相干结构,但目前对其演化过程还缺乏实验支持和机理分析.设计并使用移动式高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV)系统对光滑平板湍流边界层进行了跟踪测量,用滤波方式对数据进行降噪,结合对直接数值模拟数据的...     

中等Reynolds数平板绕流的动理论分析

郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边界层理论中的经典工作.许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了 评估,评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据.本文的动理论分析和计算表 明: Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边 界层理论中的经典工作. 许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了 评估, 评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据. 本文的动理论分析和计算表 明: Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边 界层理论中的经典工作. 许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了 评估, 评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据. 本文的动理论分析和计算表 明: Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边 界层理论中的经典工作. 许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了 评估, 评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据. 本文的动理论分析和计算表 明: Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边界层理论中的经典工作.许多研究者对平板绕流阻力系数的郭水怀公式以及后续工作进行了评估,评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据.本文的动理论分析和计算表明:Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(0.16相似文献   

脊状表面减阻特性的风洞试验研究

利用热线风速仪,对光滑表面和多个脊状表面在低速风洞中进行了表面流场测试。基于测得的边界层速度分布数据,利用对数律区速度分布公式,编程分别计算出光滑表面和脊状表面的壁面摩擦速度和虚拟原点。研究发现,脊状表面最大减阻量达13．5％;有减阻效果的脊状表面使边界层速度曲线上移、湍流强度下降;与光滑表面相比,脊状表面的位移厚度和动量损失厚度明显减小,也表明脊状表面具有减阻效果;位移厚度和动量损失厚度减少量随槽间距s^＋的增加呈现先变大后变小的趋势,在S^＋=12时达到最大。     

EFFECT OF TRANSVERSE CURVATURE ON AXISYMMETRIC COMPRESSIBLE LAMINAR BOUNDARY LAYER

在轴对称细长体的绕流中,同物体当地横向曲率半径相比,粘性边界层厚度可能不是一个小量,而可能是大好多倍的量;这时在经典的Prandtl边界层方程中,以物体的横向曲率半径来代替边界层中任一一点到对称轴的距离,这种简化方法已不适用.因此,本文老虑了横向曲率对轴对称可压缩层流边界层流动的影响.首先研究了强影响区.在完全气体,Prandtl数等于1,粘性系数与温度成正比,以及压力梯度可以忽略等假定下,以一个表示横向曲率影响的量θ为小参数,将流函数展成幂级数,从而求得了强影响区域中的摩阻系数和热传递系数的渐近解.为了使这个展开式一致有效,文中用FLK方法消除了二级近似(卽级数中的第三项少在物面附近的奇异性。结果表明,对于幂次物体r_w~xⁿ来说,在强影响区,物面摩阻系数C_f和热传递系数St有下面的形式:C_f=4C_e/R_ex T_w/T_e x/r_w cosφ{θ+[0.577-In(1+2n)]θ²}+O(θ³,St=1/2C_f.其次,采用动量积分关系方法研究了横向曲率在整个流动区域中的影响,文中采用Crocco变量下的形式,选择适当的切应力τ和速度μ的关系,求得了圆柱和圆锥的C_f, St表达式,井与弱影响区、强影响区的渐近解作了比较.     

脊状表面减阻机理研究

针对脊状表面流场的特点,通过实验测量和数值模拟的方法对脊状表面微观流场进行了深入研究,获得了脊状表面湍流边界层的时均速度分布曲线、湍流度分布曲线和微观流场结构.为了得到脊状结构对壁面物性的影响,对脊状表面进行了疏水性测试,获得了液滴在脊状表面上的表观接触角,并通过水洞试验验证了脊状表面的减阻效果.研究表明,与光滑表面相比,脊状表面微观流场结构中存在"二次涡",近壁区的黏性底层厚度比平板的要厚得多,湍流度显著降低,且脊状表面表现出明显的疏水性.由此提出了基于壁面隔离效应、增大湍流阻尼效应和改变壁面物性效应的减阻机理.     

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.      

偏振差动式LDA的测速机理及其应用

本文首先讨论了LDA对湍流脉动具有的动态响应特性。然后分析了两个振动面正交的光束在施测点所形成的椭圆偏振图样,证明45°向偏振的图样与135°向偏振的图样在空间上错开λ/(4sinθ/2),而两个光电检测器输出的电讯号则互差180°相位角,对Bossel,Rudd及Durstr在此问题上的见解提出了异议。文中提供了利用自制的LDA所测明槽水流边界层粘性底层中速度分布的资料。     

基于浸入边界算法的振动钝体绕流模拟研究

传统CFD方法在振动钝体绕流计算中常借助动网格技术,网格再生任务繁重。针对于此,本文利用可在静止网格中计算动边界绕流问题的浸入边界算法(IBM),编写数值模拟程序,分别对竖向强迫正弦振动方柱(Re=UD/v=103、振幅恒定、振动频率变化)以及桥梁断面(Re=UB/v=7.5×103、振幅、振动频率均变化)展开气动特性和流场特征结构分析。初步研究结果表明,振幅恒定为方柱高度的14%时,其涡脱锁定区长度为0.06~0.2,锁定区后端(Stc0.2)振动方柱涡脱频率回归静止涡脱频率;不同振幅下的桥梁断面阻力系数均在静止涡脱频率处产生峰值,桥梁断面升力系数则在此处均出现归零效应,且振幅越大,归零效应愈明显。     

EXPERIMENTAL STUDY ON PROPERTIES OF TURBULENT/NON-TURBULENT INTERFACE OVER RIBLETS SURFACES AT LOW REYNOLDS NUMBERS1)

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.     

低雷诺数沟槽表面湍流/非湍流界面特性的实验研究

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.      

STUDY OF NON-SUBMERGED GROIN TURBULENCE FLOW IN A SHALLOW OPEN CHANNEL BYLES

采用动态亚格子模式和浸没边界法,对宽浅槽道中的丁坝群绕流的水动力学特性进行了三维大涡模拟研究. 利用丁坝绕流,试验中采用粒子图像测速仪(particle image velocimetry, PIV)测量的试验中自由水面处的时间平均流速和湍动强度数据对模型进行率定,结果表明计算结果与试验数据吻合良好. 丁坝长度与丁坝之间距离的比值L/D对丁坝周围的水流流动形式、湍流强度、涡量分布有显著影响. 在L保持不变并且L/D较大时,丁坝之间的距离D较小,这限制了混合层的发展,因此混合层中的湍动强度和涡量都较小;同时丁坝之间的回流区的流线形式也发生明显变化. 此外,还给出了涡体在丁坝坝头附近产生,发展并向下游输运的动态过程.     

陷窝强化对流换热机理数值模拟分析

为了给后续优化陷窝设计提供参考,本文采用RANS数值模拟了底板布置典型深宽比为0.2的陷窝的两组光滑平板间充分发展对流换热流动的情况,分析了陷窝强化对流换热的机理。为验证数值模拟方法的可靠性,建立了与已有文献中的实验一致的模型,与实验结果对比,数值结果误差小于6%,验证了本文数值模拟方法的可靠性。本文通过此数值模拟方法研究表明:陷窝背风面动量输入小、流速低、对流换热弱、类龙卷风涡对壁面螺旋型焦点处对流换热最多减弱50%;陷窝尖后缘的高速绕流、冲击、边界层不连续发展和湍流强度增强等强化了对流换热;陷窝后缘处对流换热最大增强25%;尾流诱导达两倍陷窝表面直径距离的纵向涡对,由于纵向涡对在对称面上诱导向上的速度,对流换热减弱;由于纵向涡对两侧诱导向下的速度,对流换热较强;尾流区换热增强5%~25%。从整体来看,陷窝强化了对流换热。     

双振子同异步振动主动控制湍流边界层减阻实验研究

本文以镶嵌在平板上沿展向对放的两个压电陶瓷振子为主动控制激励器,自主设计了零质量射流主动控制湍流边界层减阻实验方案.在风洞中开展了双压电振子同步和异步振动主动控制湍流边界层减阻的实验研究,实现了压电振子的周期扰动对湍流边界层多尺度相干结构的干扰和调制,施加控制后减小了壁面摩擦阻力,获得减阻效果.当异步控制100 V, 160 Hz工况时得到最大减阻率为18.54%.小波多尺度分析结果表明,施加控制工况中PZT振子的周期性扰动使得小尺度结构的湍流脉动强度增强,改变了近壁区大尺度和小尺度结构的含能分布,且异步控制工况比同步控制工况的减阻效果好.当双振子振动频率为160 Hz时,流向脉动速度的小波系数PDF曲线呈现出波动特征,尾部变宽显著,近壁湍流脉动更加有序和规则,湍流间歇性减弱.对小尺度脉动进行条件相位平均的结果表明,施加PZT周期扰动后使得大尺度结构破碎成为小尺度结构,小尺度脉动强度增强,实现减阻.随着流向位置离PZT振子越来越远,周期性扰动对相干结构的调制作用逐渐减弱.     

圆柱尾迹影响旁路转捩末期发卡涡涡包的研究

基于TR-PIV技术, 通过侧视和俯视两种情况对圆柱尾迹影响下旁路转 捩末期发卡涡涡包的结构及特征尺寸进行了实验研究. 结合二维空间子波变换和\lambda _{ci}准则, 运用线性随机估计方法对速度信号进行条件平均. 在侧视情况下, 条件平均结 果显示, 在边界层中一系列发卡涡涡头与壁面构成17^{\circ}的倾角, 并且被尾迹涡所占据的低 速区域出现在涡包上方的主流区中. 在俯视的结果中, 沿流向方向拉伸(流向尺度 3\delta, 展向尺度0.55δ)的低速条带结构出现在法向高 度为y/δ =0.2的流向-展向平面中, 并且在该低速条带的两侧对称地出 现了沿流向分布的反向旋转的涡结构. 可以得出: 在圆柱尾迹影响下旁路转捩的末期, 由于 尾迹涡诱导作用的影响, 发卡涡涡包在形态上显示出了更大尺度的特征.     

虚拟边界法研究正交双圆柱及串列双圆球绕流

把Goldstein等人提出的虚拟边界法推广到三维情况,研究了 Re=150时不同间距下正交双圆柱绕流,和Re=250时不同间距下串列双 圆球绕流流场. 对于正交双圆柱绕流,当间距比大于3,下游圆柱对上游圆柱尾流的影响只 限定在下游圆柱的尾流所扫过的范围之内;当间距比小于等于3,下游圆柱对上游圆柱尾流 的影响扩大,下游圆柱尾流扫过区上下出现两排三维流向二次涡结构. 对于串列圆球绕流, 研究发现,在小间距比(L/D≈ 1.5)的情况下,由于上下游圆球尾流区的相互抑 制消除了压力不稳定性,整个流场呈现稳 态轴对称特征;间距比为2.0时,周向压力梯度诱发出流体的周向输运,流场呈现稳态非对 称性,但流场中存在特定的对称面;间距比增大到2.5后,绕流场开始周期振荡,原有的对 称面依旧存在;在间距比3.5时下游圆球下表面的涡结构强度有所减弱,导致占优频率发生 交替;间距比增至7.0时,整个流场恢复稳态特征,两圆球尾部同时出现双线涡,这时流场 对称面的位置发生了变动.     

双连通截面柱体Saint-Venant扭转问题

1.基本方程和边界条件在任意正交曲线坐标系α～β中,确定应力函数ψ的偏微分方程和边界条件是△ψ=1/(h_αh_β)[(?)/((?)α)((h_β)/(h_α) (?)/((?)α)) (?)/((?)β)(h_α/h_β(?)/(?)β]=-2 (1)式中h_α和h_β为坐标系α～β的Lamé系数.应力τ~*=τ/(Gθ)=-(?)/((?)n) (2)式中:τ——应力,G——剪切弹性模量,θ——单位长度扭转角,(?)——应力线ψ=const 的法线矢量.边界条件:沿封闭的外边界周线S(图1),应力函数值     

水中开孔腔流激振荡控制实验研究

水中开孔腔流激振荡是水下航行器的一类突出噪声源. 为探究有效抑制水中开孔腔流激振荡的控制方法和作用特性, 首先以水下航行器的表面开孔结构为对象设计了开孔腔模型, 并提出一种基于来流边界层分流原理的流动控制装置——前缘分流体, 借助循环水洞装置对水中开孔腔的流激振荡特性及其控制进行了实验研究. 通过沿流向和展向安装于腔底的动态压力传感器测量腔内脉动压力, 分别从腔内脉动压力的频谱特性和空间分布特性两方面, 探讨了水中开孔腔在不同流速下的流激振荡特性和前缘分流体对水中开孔腔流激振荡的控制效果, 并对前缘分流体的主要作用机理进行了分析. 研究结果表明: 水中开孔腔流激振荡形式以剪切层自持振荡为主, 在流速较低时, 如2.4 m/s, 就会产生稳定的自持振荡, 且具有随流速升高而急剧增大的趋势; 前缘分流体对水中开孔腔绕流自持振荡具有良好的抑制效果, 且抑制效果随流速增加而显著提升, 对腔内脉动压力频谱峰值和总级的最大抑制量分别达到25.3 dB和15.6 dB; 此外, 前缘分流体对开孔腔流激振荡具有低频频移作用, 有益于避免发生流激空腔共振; 脉动压力空间分布特性表明, 前缘分流体对水中开孔腔流激振荡抑制机理主要在于破坏了腔内流场受到的周期调制作用.