Development of customized shear layers on smooth and rough surfaces

Shear layers having different structural properties were produced downstream of devices used to artificially thicken turbulent boundary layers. The means used to produce different structural characteristics are described, along with the effects of changes in structure on wall heat transfer. Results from layers developing over smooth and rough surfaces indicate that alterations of artificial thickening device geometry resulted in larger variations in wall heat transfer near smooth surfaces. The most significant of these occured when alterations were made of inner boundary layer regions, where mean velocity shows a logarithmic dependence on distance from the wall. Outer region changes in mean velocity and turbulence profiles resulted in less significant changes in wall heat transfer, particularly in the flows over the rough wall.     

Wandeffekte bei dispers-plastischen Materialien

Zusammenfassung Die Wandgleitgeschwindigkeit von dispers-plastischen Gemischen aus Kaolinpulver und Paraffinöl wird nach der Drei-Spalte-Methode für die Couette-Strömung mit einem Searle-Rheometer ermittelt. Sie steigt zunächst mit zunehmender Schubspannung an, erreicht ein Maximum, fällt mit weiter steigender Schubspannung wieder ab und wird schließlich sogar negativ. Eine negative Wandgleitgeschwindigkeit ist natürlich physikalisch unmöglich. Dispersplastische Gemische aus Kaolinpulver und Paraffinöl zeigen also ein komplizierteres Wandverhalten als reines Wandgleiten.Zur Deutung dieses komplizierten Wandeffektes wird eine Modellvorstellung entwickelt. Wichtig ist hierbei, daß eine zunehmende Wandgleitgeschwindigkeit auftritt, bevor eine starke Scherströmung im Innern des Strömungsfeldes einsetzt. Mit beginnender Scherströmung führen die plättchenförmigen dispersen Teilchen auf Grund von Zusammenstößen seitliche Schwankungsbewegungen um die makroskopisch wahrnehmbaren Bahnkurven aus.Diese Teilchenbewegungen führen zur Zerstörung der zunächst beim Wandgleiten sich ausbildenden Mikrostrukturen an der Wand. Daher kann die Wandgleitgeschwindigkeit trotz steigender Wandschubspannung abnehmen. Die Behinderung der seitlichen Partikelbewegungen an der Wand — die dispersen Teilchen können sich auf der Wand abstützen — führt bei weiter steigender Schergeschwindigkeit im Innern des Strömungsfeldes makroskopisch zu einer Versteifung des Materials in Wandnähe. Damit können negative Werte der sog. Wandgleitgeschwindigkeit — man spricht besser von einer integralen Wandfunktion — sowie bestimmte experimentelle Befunde bei der Druckabhängigkeit und bei der Temperaturabhängigkeit der rheologischen Eigenschaften und des Wandeffektes erklärt werden.Die experimentellen Untersuchungen beschränken sich im wesentlichen auf den Wandeffekt an schwach gekrümmten Wänden in Couette-Spalten, an denen ein Krümmungseinfluß auf den Wandeffekt mit großer Wahrscheinlichkeit vernachlässigbar ist. Die Auswirkung eines Krümmungseinflusses auf die rheometrischen Meßergebnisse wird jedoch diskutiert. Die aus rheometrischen Messungen bestimmbare integrale Wandfunktion liefert im Fall des komplizierten Wandeffektes noch keine vollständige Information über das Wandverhalten.

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The wall slip velocity of disperse plastic mixtures of kaolin powder and paraffin oil is determined by the so-called three-gap method for Couette flow with a Searle rheometer. At the start it grows with increasing shear stress, reaches a maximum, then decreases with further increases in shear stress and finally becomes negative. From a physical point of view, negative wall-slip-velocities are impossible. Thus it is concluded that disperse plastic mixtures of kaolin powder and paraffin oil show a more complicated wall effect than pure wall slip.In order to explain this complicated wall effect a model of the microstructure near the wall is developed: It is essential that increasing wall slip velocity occurs before the start of shear flow in the interior of the flow field. With shear flow the slab-like disperse particles perform lateral fluctuations around their macroscopically perceptible flow paths. These are caused by collisions between the particles. These lateral particle movements destroy the microstructure at the wall which was built up by pure wall slip. Therefore the wall slip velocity may decrease inspite of increasing wall shear stress. One may then assume a suppression of lateral particle movement at the wall with further increases in the shear in the interior of the flow field which will cause some kind of stiffening of the material near the wall. This assumption can explain the negative values of the so-called slip velocity (which is better termed an integral wall function) as well as some effects in connection with the pressure and temperature dependence of the flow function and integral wall function.The experimental investigations are confined to slowly curved walls in Couette gaps, where an influence of wall curvature on the wall effect may be neglected, but the influence of wall curvature on the wall effect is discussed theoretically. The integral wall function which can be determined from rheometric measurements does not yield complete information on the complicated wall effect.

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f() Schubspannungsfunktion - Schubspannungsfunktion in Wandnähe - h axiale Erstreckung eines Couette-Spaltes - M _d übertragenes Drehmoment in der Couette-Strömung - R kleinster Krümmungsradius einer Wand an einer Stelle - R _w Radius einer zylindrischen Wand - R _a, R_i Radien von Außen- und Innenzylinder eines Couette-Spaltes - R ₁, R₂, R₃ Radien eines Drei-Spalte-Couette-Systems - R _w1, R_w2 Radien von zwei Rohren - Volumenstrom in einer Rohrströmung - Volumenströme durch zwei verschiedene Rohre bei gleicher Wandschubspannung - v _w (_w) Wandgleitgeschwindigkeit - Winkel zwischen Wandschubspannung und der Richtung, in der die Wand am schwächsten gekrümmt ist - =(R_a/R_i)² quadratisches Radienverhältnis - (_w) Dicke der vom komplizierteren Wandeffekt beeinflußten Wandschicht - Dicke eines Gleitfilms bei Wandgleiten - _w Schubspannungsänderung in der Wandschicht (_w) - f(_w, ) Wandfunktion - Wandabstand - ø _w (_w) integrale Wandfunktion bei vernachlässigbarer Wandkrümmung und vernachlässigbarer Schubspannungsänderung in der Wandschicht (_w) - ø _Couette ( _w, ₂) integrale Wandfunktion der Couette-Strömung - ø _Rohr ( _w, R_w) integrale Wandfunktion der Rohrströmung - ø _Couette ^* ( _w, R₂) experimentell ermittelte Wandfunktion der Couette-Strömung - ø _Rohr ^* ( _w, R_w, R_w2) experimentell ermittelte Wandfunktion der Rohrströmung - ₁, ₂ größter bzw. kleinster Krümmungsradius einer Wand - _w Wandschubspannung - _a, _i Wandschubspannung am Außen- bzw. Innenzylinder eines Couette-Spaltes - ₂ Wandschubspannung in einem Drei-Spalte-Couette-System am mittleren RadiusR ₂ - Schubspannung - Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen Außen- und Innenzylinder eines Couette-Spaltes - _I (M_d), _II (M_d), _III(M_d) Winkelgeschwindigkeitsdifferenzen an einem Drei-Spalte-Couette-System als Funktionen des übertragenen Momentes     

脉冲热线空间速度探针的研制与应用

本文研制了脉冲热线空间速度探针，对其空间结构及特性进行了分析，给出了测量雷诺应力的方法与应用实例     

激波卷扬的气体粉尘边界层的实验与数值研究

采用瞬态阴影技术和激光消光技术对激波卷扬粉尘的现象进行了实验研究，理论研究采用ＰＳＩＣ（ＰａｒｔｉｃｌｅＳｏｕｒｃｅｉｎＣｅｌｌ）模型，模型同时考虑了湍流效应及气固两相间的输运效应。结果表明，激波卷扬的粉尘颗粒在壁面附近湍流区内先被加速，一定高度后减速，从而在边界层内形成一个高颗粒浓度的区域。数值结果与实验结果基本一致。     

Drying Induced Stresses in a Swelling Porous Wall

The present paper is concerned with the stresses generated in a capillary-porous wall saturated from the bottom and dried naturally on its side planes. The upper cross-section of the wall is totally isolated and no heat and moisture transfer occurs through it, while the bottom one has an a priori determined temperature and moisture content. The vertical planes of the wall are surrounded by air having different temperatures and moisture contents on the left and the right sides. The problem is solved numerically based on a mechanistic model of drying earlier developed by the authors. The distributions of temperature, moisture content, and the drying induced stresses are determined. The variation of temperature on the wall left and right surfaces is analysed dependent on the surroundings temperature. The influence of boundary conditions on the stress distribution in the wall is discussed.     

Interactions of particles and microbubbles with turbulence

Dilute, dispersed two-phase flows arise in many contexts ranging from solid particles or droplets in gas flows to bubbles in liquids. Many of the flows of interest are turbulent, which presents a complex problem to analyze or to determine the dominant physical processes contributing to the observed phenomena. Advances in experimental techniques have made it possible to measure directly turbulent and particle velocity fluctuations in dilute systems. This has provided a counterpart to advances in computational and analytical models and a basis on which to test these models. Three specific areas are considered: the fluctuating forces on an individual particle in an unsteady flow, the response of a solid particle to a turbulent air flow, and the corresponding response of a small bubble in turbulent liquid flows. Results from direct numerical simulations are presented for each of these, including the nonuniform distribution of particles generated by local instantaneous features of the flow. The issue of turbulence modulation at low to moderate void fractions is discussed.     

半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟

将Yakhot和Orszag提出的RNGk-ε模型推广应用于半封闭狭缝冲击射流场的数值模拟，以评价该模型对这种复杂湍流的预测能力。将计算得到的流场平均速度分布、湍流强度分布和流函数分布与标准k—ε模型的预测结果以及相应的实验数据进行了比较，结果表明：RNGk—ε模型的预测结果总体上要好于标准k—ε模型，但与实验值相比，所有预测结果都还存在不同程度的误差，尤其是近壁区和滞止点较远下游处的湍流强度分布。说明RNG模型虽然已在某些湍流的预测中取得了一定的成功，但要定量准确地预测冲击射流场，还必须针对其流动特征对模型加以改进。     

壁面约束对柱状粒子在牛顿流体中沉降影响的研究

格子Boltzmann方法(LBM)直接数值模拟了在有壁面约束的流场中柱状粒子的沉降。结果说明粒子在壁面的影响下，会离开管壁向管中心移动，移动速度先是增大，然后随着与管壁距离的增加，逐渐减小，粒子中心最后并不一定停留在管中心。随着粒子与壁面距离的增加，粒子的沉降速度将增大，可见壁面对粒子沉降有阻碍作用，平行于粒子轴线的壁面对粒子沉降的影响比垂直于粒子轴线壁面的影响大。     

Numerical simulation of turbulence suppression: Comparisons of the performance of four k-? turbulence models

The standard k-ε model and three low-Reynolds number k-ε models were used to simulate pipe flow with a ring device installed in the near-wall region. Both developing and fully developed turbulent pipe flows have been investigated. Turbulence suppression for fully developed pipe flows revealed by hot-wire measurements has been predicted with all three low-Reynolds number models, and turbulence enhancement has been predicted by the standard k-ε model. All three low-Reynolds number models have predicted similar distributions of velocities, turbulence kinetic energy, and dissipation rate. For developing pipe flows, the region of turbulence suppression predicted by the three low-Reynolds number models is much more extensive (up to 30 pipe diameters downstream of the device) than for full developed flow; whereas the standard k-ε model has only predicted turbulence enhancement.     

动脉狭窄内低密度脂蛋白传输的数值研究：LDL的浓度极化现象

用计算机数值模拟的方法 ,对低密度脂蛋白 ( LDL)在动脉狭窄血管段内的质量传输进行了研究。计算结果表明 ,由于血管壁渗流的存在 ,LDL这样的脂质大分子会聚积在血管的内壁表面 ,发生一种工程上称为浓度极化的现象。LDL浓度在动脉狭窄口后的流动分离点出现峰值。该浓度峰值随雷诺数和动脉狭窄度的增加而呈逐渐下降的趋势。作者认为 ,该区域 LDL浓度的局部升高是引发动脉粥样硬化局部性和动脉狭窄产生的一个非常重要的原因。