湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展

快速游动的鲨鱼, 其皮肤表面沿流动方向有序地排列着沟槽状结构, 人们认为这种结构能在湍流流动 中减小表面摩擦阻力. 人们仿真这种生物结构来进行实验研究和应用, 通过复制和改善鲨鱼皮肤表面沟槽状 结构, 使得摩擦阻力最大减小了近10%. 在实验和模拟仿真中, 人们不断讨论和研究湍流流动阻力的形成机制 和沟槽减阻的理论特性. 本文综述了沟槽减阻理论特性的一些研究方法, 并且归纳定义了沟槽减阻最优几何 形状及其尺寸; 详细考虑流体流动的特点, 给出了一种用来选择最优沟槽形状及其尺寸的方法; 综述了目前的 沟槽加工制造技术. 由于鲨鱼皮肤表面存在少量黏液, 从仿生学的角度, 文章最后综述并展望了通过局部应用 疏水性材料来改变沟槽附近流场属性, 从而达到更大程度上减小阻力的目标.      

基于壁面主动变形的湍流减阻控制研究

采用谱方法, 对反向控制下壁面主动变形的槽道湍流进行了直接数值模 拟研究. 结果表明, 在壁面最大变形量小于5倍黏性尺度条件下, 压差阻力可略, 摩擦阻力 降低7.6%. 施加控制后, 湍流强度和雷诺应力受到明显抑制, 平均速度剖面对数区上移. 受壁面法向运动的影响, 条带结构强度减弱、尺度变大; 流向涡外移且强度减弱, 其倾斜和 抬起的角度均有不同程度的减小. 壁面变形呈现流向拉长的凹槽结构, 其平均间距 为90倍黏性尺度.     

超声速钝体逆向喷流减阻的数值模拟研究

为研究逆向喷流技术对超声速钝体减阻的影响,采用标准k-ε湍流模型,通过求解二维Navier-Stokes方程对超声速球头体逆向冷喷流流场进行了数值模拟,并着重分析了喷口总压、喷口尺寸对流场模态和减阻效果的影响。计算结果显示:随着喷流总压的变化,流场可出现两种流动模态,即长射流穿透模态和短射流穿透模态;喷流能使球头体受到的阻力明显减小;存在最大减阻临界喷流总压值(在所研究参数范围内最大减阻可达51.1%);在其它喷流物理参数不变时,随着喷口尺寸的增大,同一流动模态下的减阻效果下降。本文的研究对超声速钝体减阻技术在工程上的应用具有一定的参考价值。     

Turbulence structures in high-speed air flow along a thin cylinder

Turbulent flow in the axial direction along a cylinder representing a monofilament yarn was reproduced for a relatively wide range of radius Reynolds numbers using direct numerical simulations. In the simulation of the thinnest cylinder, the friction coefficient agreed with a previously published formula. A pair of high- and low-speed streaks was detected around even the thinnest cylinder, whereby it was confirmed that turbulence was sustained according to the analysed turbulence statistics. Even when only a single pair of streaks around the cylinder was detected, the characteristics of the turbulence structures, such as the mean streak spacing based on the viscous length scale, were the same as those in flows over a flat plate. It was found that the friction coefficient changes in a way that maintains the structural characteristics of the flow, consistent with the view that universal characteristics of turbulence structures exist.     

鼓泡流化床中流动特性的多尺度数值模拟

鼓泡流化床因其较高的传热特性以及较好的相间接触已经被广泛应用于工业生产中,而对鼓泡流态化气固流动特性的充分认知是鼓泡流化床设计的关键.在鼓泡流化床中,气泡相和乳化相的同时存在使得床中呈现非均匀流动结构,而这种非均匀结构给鼓泡流化床的数值模拟造成了很大的误差.基于此,以气泡作为介尺度结构,建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件,构建了适用于鼓泡流化床的多尺度气固相间曳力模型.结合双流体模型,对A类和B类颗粒的鼓泡流化床中气固流动特性进行了模拟研究,分析了气泡速度、气泡直径等参数的变化规律.研究表明,与传统的曳力模型相比,考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系是一条分布带,建立了控制体内曳力系数与局部结构参数之间的关系.通过模拟得到的颗粒浓度和速度与实验的比较可以发现,考虑气泡影响的多尺度曳力模型可以更好地再现实验结果.通过A类和B类颗粒的鼓泡床模拟研究发现,A类颗粒的鼓泡床模拟受多尺度曳力模型的影响更为显著.      

超疏水材料表面液-气界面的稳定性及演化规律

超疏水表面功能材料在防污、流动减阻等领域具有重要应用,其中液–气界面的稳定性是关系到该种材料性能发挥的关键因素。微结构液–气界面的稳定性主要体现在浸润状态转变过程,浸润状态恢复过程和气泡形态演化过程三个方面。在压强变化、气体扩散等多种因素作用下,液–气界面会发生失稳现象,并以不同的形态变化方式进行演化发展。该文首先总结了三类液–气界面稳定性问题。在不同的演化阶段,液–气界面具有不同的位置和形状,体现出不同的稳定性。然后,分别针对液滴系统和水下浸没系统,考虑了几种主要的影响因素,综述了目前国内外关于超疏水微结构液–气界面稳定性研究的主要进展,总结液–气界面的演化机制。最后,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

Construction of a photon drag detector for evaluating the performance of a CO2 laser amplifier

In this article, the construction of P-type germanium (Ge) photon drag detector which is used to characterize the gain and output powers of a 10 W CO₂ laser and a CO₂ laser amplifier is described. Gain and laser amplifier output power versus laser input power measurements collected at 4.7 mbar and 12.0 mbar amplifier tube pressures are discussed. Moreover, measurements relating the CO₂ laser output power to the laser tube discharge current are provided at 6.9 mbar and 7.3 mbar tube pressures.     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

格子Boltzmann模型平衡分布边界条件和多棱柱排列渗流流场的数值模拟

介绍了适用于多种流场数值模拟的无滑动格子Boltzmann平衡分布边界条件，这一边界条件是以Bounce-Back方法为基础并满足质量、动量守恒的准则.数值计算结果表明平衡分布边界条件克服了Bounce-Back方法在边界上所产生的滑动速度误差效应.利用平衡分布边界条件数值模拟了由棱柱形充填粒子构成的微尺度渗流流场中的Darcy-Forchheimer方程，通过与Lee 和Yang的数值结果比较，该预测结果是足够可靠的. 关键词： 平衡分布边界条件 渗流介质 Darcy-Forchheimer阻力     

Drag force on a moving heavy quark with deformed string configuration

To study drag force on a moving heavy quark through a plasma, we use a deformed AdS space-time, in which deformation parameter c describes non-conformality in AdS/QCD. In this case, the quark is mapped to a probe string in the AdS space. Considering the probable contribution of the deformation parameter in the probe string, we apply a general form of c-dependent string ansatz in the drag force computation. Then, we find the acceptable value of this parameter as it satisfies QCD calculations. Using this result, we also discuss the diffusion constant which is in agreement with the phenomenological result for the non-relativistic limit. Also, we show that while in absence of a deformation parameter, the probe string is a strictly increasing function of radial coordinate, the c-dependent probe string has a maximum value versus z.