非等温湍流射流中脉动量的耗散规律

本文利用具有高频响应的恒温热线和恒流冷线的组合探头对非等温湍流圆形射流中的湍流脉动动能和脉动温度的耗散率(ε,ε_θ)及其分布规律进行了测量.结果证实了由满足自模条件导出的Taylor微尺度和湍动能耗散率在射流中心线上的变化关系是成立的.推导了中心线上湍流温度耗散率的表达式并得到了较好的结果.     

MD-82飞机客舱环境流场的HWA测量与分析

使用热线测速技术以高于湍流最小时间尺度的分辨率,精细测量了MD-82飞机客舱环境中的条缝型送风口射流流场和个性化送风口射流流场.对流场的平均速度剖面、湍流度分布、湍能谱进行了分析.平均速度的变化揭示了离开出口后流场速度的衰减规律.湍流度表明了湍流流场脉动剧烈程度和湍流扩散发展规律,是各种尺度的脉动分量叠加的结果.对流场的湍能谱分析展现了惯性子区的存在,能量从大尺度的含能区通过惯性子区传递给小尺度结构并最终耗散为热能.     

河口底边界层湍流信号的噪声干扰实验

基于河口底边界层实测湍流资料,选取了高斯白噪声、线性趋势项和周期项3种不同类型的噪声,讨论了各种噪声对湍流信号的影响。结果表明:①3种类型的噪声对湍流信号的概率分布影响不大,但对能谱曲线有较显著的影响。其中,白噪声对能谱值的影响最大,趋势项对能谱值的影响不明显,周期项仅对特定频率的能谱值有影响。②对于湍流强度、脉动能量和湍动能耗散率这3个湍流特征参数,白噪声和周期项对3种参数均有影响,而趋势项仅对湍强和脉动能量有影响。当湍流信号叠加上3种类型的噪声后,会使湍流特征参数有增大的趋势。     

青藏高原当雄地区湍流脉动耗散率特征研究

利用1998年第2次青藏高原气象科学实验（TIPEX）当雄地区观测站的湍流资料,分析了青藏高原中部地区湍流动能、温度脉动和湿度脉动耗散率的特征规律。结果表明,无量纲湍能耗散率φ_ε、无量纲温度脉动耗散率φ_N和无量纲湿度脉动耗散率φ_γ分别比风速梯度产生的能量、温度和湿度梯度产生的脉动约小20%,且随稳定度参数的绝对值的增加而呈增加的趋势;湍流输送和压力脉动项的影响贯穿于整个稳定度区间, 数值与z/L相联系。青藏高原中部地区湍流动能、温度脉动和湿度脉动耗散率的方程中系数与前人结果的差异,反映其对下垫面特征的依赖性。     

不同半径比Taylor-Couette湍流的直接数值模拟研究

采用谱方法求解柱坐标系下三维不可压缩流Navier-Stokes方程,直接数值模拟了不同半径比下的同心旋转圆筒间的Taylor-Couette(TC)湍流问题.由于TC湍流是由大尺度Taylor涡和湍流随机脉动的叠加而成,采用周向平均成功识别了TC湍流中的大尺度Taylor涡,并将其诱导的脉动流动与湍流随机脉动分离开来,对比分析了不同半径比下大尺度Taylor涡对脉动强度和湍动能的贡献;同时,通过计算雷诺应力输运方程,研究了半径比对湍动能生成、耗散和再分配等动力学特性的影响.计算结果表明,在小半径比的宽槽TC湍流中,Taylor涡诱导的脉动流相对较弱,湍流随机脉动更为强烈,其对湍流统计特性的影响占优;在大半径比的窄槽TC湍流中,流体脉动特性主要源于Taylor涡的贡献;另外,随着半径比的增大,近外壁面附近流体沿周向剪切作用增强,流场表现出类似于平板Couette流的流动特性.     

球形汇聚-反射激波作用下湍动能方程的模化

球形激波与湍流间的相互作用在惯性约束聚变(ICF)、超新星爆发、冲击波碎石等许多工程问题中有重要意义.本文通过直接数值模拟,研究了球形激波的汇聚与反射诱导的湍流及其相互作用问题,分析了这一流动的特点和湍流的产生机制.重点讨论了该流动的湍动能系综平均方程中各项的作用和起主导作用的物理机制,发现传统的剪切湍流的产生机制和黏性项量级普遍偏小,激波才是诱发湍流的主要因素,因而在湍动能方程中起主导作用.由于激波的主导作用,压力脉动对湍动能方程有重要影响,与压力脉动有关的各个项在湍动能方程中均起重要作用.一些在一般湍流中可以忽略的项,例如质量流量项、压力体胀项等,在球形汇聚-反射激波与湍流相互作用问题中起重要作用.本文还探讨了涡黏性模式的有效性,发现满足可实现性原理的涡黏性模式可以较好地模拟雷诺应力.同时,本文揭示了现有湍动能方程封闭模式在本问题的应用中存在很大误差,并尝试对这些项提出新的封闭模式.     

CBY桨搅拌槽内湍流结构的研究

在槽径为0.192m的CBY桨搅拌槽内,采用时间解析粒子图像测速仪(tim e-resolved PIV,TRPIV)和常规二维粒子图像测速仪(2DPIV)对搅拌槽中速度场进行了测量。分别用小波分析法和角度解析法将搅拌槽中周期性脉动和湍流脉动分开,发现两种方法所得的结果具有较好的一致性,说明了小波分析方法能够提取湍流动能。进一步研究表明,小波分析能将脉动速度分解到各个尺度上,频率越低的尺度所含的能量越大,且各尺度能量有着相似的分布规律。此外,随着雷诺数的增大,无因次化后的周期性脉动动能和真实湍流动能基本不变。     

旋转效应对近壁湍流特性和流场结构的影响

采用大涡模拟方法, 结合非线性动力学亚格子尺度应力模型, 数值计算了轴向旋转圆管湍流问题, 研究了旋转效应对近壁湍流特性和流场结构的影响. 文中基于脉动速度的联合概率密度函数和脉动螺旋度的概率密度函数的变化特性, 发现旋转效应显著地改变了近壁湍流的脉动螺旋度, 有助于流动在周向的进一步失稳, 从而使得周向湍流强度增强. 从大涡Reynolds应力输运方程的分析表明, 旋转效应增强了湍动能的再分配作用, 促进了周向湍流脉动的生成, 改变了近壁区湍流拟序结构, 揭示的物理现象为构造合理的湍流模型提供了必要的信息和物理基础.     

外环流气提式反应器液体局部动力学的实验研究和数值模拟

在外环流气提式气液反应器内,分别以空气和质量分数5%羧甲基纤维素（CMC）水溶液为气相和液相,对液相局部动力学进行了系统研究。应用电极示踪测试技术（ETM）测定了下降段液体速度;应用计算流体力学软件FLUENT 6.0对上升段的液体湍动能和湍动能耗散率进行了模拟计算。模拟结果表明：气体分布器对液体湍动能和湍动能耗散率有较大影响,液体湍动能和湍动能耗散率随表观气速的增大均增大,且液体湍动能呈现出较对称的波动模式。在低气速下,局部液体速率的模拟结果与实验数据吻合良好。     

正弦脉动激励对气膜冷却特性的影响

为了探究正弦脉动激励对气膜冷却特性的影响,采用大涡模拟方法,针对具有正弦脉动特征的气膜冷却射流与平板主流的相干机制展开研究,在平均吹风比为0.5和1.5的条件下重点研究脉动频率和幅值对气膜冷却流动传热的影响。研究结果表明：在高吹风比工况下,冷气脉动有助于提高气膜冷却性能,而在低吹风比工况下,作用效果完全相反;增大脉动幅值强化了肾形涡对的卷吸作用,而脉动频率变化的影响则不明显;在正弦脉动下,没有出现方波脉动那样大尺度的起动涡结构;与连续性射流相比,脉动射流可以显著提升气膜孔下游的湍流动能,但随着流向距离增加,脉动射流的影响变弱;功率谱密度分析结果表明,冷气脉动对小尺度涡旋能量的影响较明显。     

基于网格数值耗散修正的圆湍射流模型

基于民用机舱内个性通风口,以圆湍射流作为研究对象,以标准κ-ε湍流模型较精细数值模拟与实验对比结果为出发点,通过对粗网格下数值结果的分析,针对网格尺度增大导致计算中数值耗散相应增大、射流速度沿轴向和径向衰减过快问题,从湍流耗散率方程出发,对影响湍流耗散的生成项和耗散项进行修正,平衡因网格尺度产生流动衰减过快的因素,进而提出了耗散率修正的κ-ε湍流模型.采用该修正模型验证了不同雷诺数和非等温条件下射流的适用性.应用修正的湍流模型可以避免机舱内大尺度空间流动对网格的苛刻要求,明显减少网格总数,同时达到对舱内复杂结构和边界条件下流场特征的正确模拟.     

关于湍流多尺度统计理论方法的论证

用黑河化音测站的实测风、温脉动资料对一种湍流多尺度统计理论方法进行了分析验证,并应用此方法通过对相关系数、湍流时间尺度、湍谱和扩散参数等湍流特征量的研究,分析了黑河戈壁地区的湍流微结构和扩散特征.结果表明:多尺度分析方法正适合研究具有多尺度特征的大气湍流现象,可以比传统方法提供更多的有关湍流属性的信息,能够更直观地表现出不同尺度湍涡对扩散作用的大小,是发展湍流统计理论的一种有效工具     

基于柴油机微粒沉降的脉动湍流管流内近壁流场特性

根据湍流管流中柴油机微粒热泳沉降和湍流脉动沉降研究的需要,对脉动排气时排气管内近壁流场的分布特征、影响因素以及变化规律等进行了研究;分析了脉动排气时气流速度的脉动振幅和脉动频率对管内近壁处温度场和湍动能场的影响.研究结果表明,与稳态排气流动相比,脉动排气时近壁流场的分布和变化特征有很大不同,从而会对微粒的热泳沉降和湍流脉动沉降产生很大的影响.     

激波反射对扰动界面湍流混合区影响的数值分析

发展三维可压缩多介质黏性流动和湍流流动的大涡数值模拟方法MVFT3D,对Poggi等人进行的重流体冲击加载轻流体激波管界面不稳定性实验进行数值模拟,通过Vreman SGS应力模型模拟小尺度运动对大尺度运动的影响,运用统计方法分析湍动能特征。计算结果显示,激波多次加载下扰动界面不稳定性及其诱发的湍流混合是一个非常复杂的发展演化过程,在反射激波第一次加载前湍流混合区宽度增长缓慢,湍动能按时间和空间的1.3次幂指数规律衰减,再加载后湍流混合区宽度非线性增长加快,湍动能强度迅速增强后再逐渐递减,而后期的流场则出现明显的气泡竞争现象。计算给出两次再加载的湍流混合区宽度与实验测试结果吻合,第一次再加载前湍动能随时间和空间1.3次幂指数衰减规律与Mohamed和Larue的研究结论一致。数值模拟再现了实验观察到的激波多次加载过程并描述了湍流混合区发展演化的基本物理特征,检验了数值方法和计算程序。     

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速/温度仪,在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料,计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征.结果表明:湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z/L成正相关;湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z/L在不稳定层结时,成正相关,在稳定层结时近似成负相关;在不稳定和稳定层结大气中,利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算的湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性;无量纲湍流结构参数C2vz2/3σ- 2w和C2Tz2/3σ-2T是Richardson数的函数;湍流热力结构参数 C2T与感热通量 w′T′具有较好的线性关系.     

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速／温度仪，在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料，计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征。结果表明：湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z／L成正相关；湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z／L在不稳定层结时，成正相关，在稳定层结时近似成负相关；在不稳定和稳定层结大气中，利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性；无量纲湍流结构参数Cv^2z^2/3σω^-2和CT^2z^2/3σT^-2是Richardson数的函数；湍流热力结构参数CT^2与感热通量——↑ω′T′具有较好的线性关系。     

基于k-ε模型的剪切流中湍流动能衰减规律研究

分别从理论推导和数值模拟的角度,分析了剪切流中湍流动能的衰减规律.通过简化湍流变量输运方程,采用Matlab求解了使用标准k-ε模型计算剪切流时湍动能在不同高度处的数值解,通过fluent数值模拟,验证了理论数值解,并与均匀流中的数值模拟结果进行对比,分析了在剪切流中入口湍流强度和湍流黏性比、来流速度梯度和输运方程扩散项等对湍流变量衰减的影响规律.结果表明:剪切流中存在湍流动能衰减;入口湍流强度对湍流变量输运方程生成项的影响较大,湍流黏性比对湍流变量输运方程生成项的影响较小;当入口湍流强度相同时,入口湍流黏性比越大,湍动能衰减的越快,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越小;当入口湍流黏性比相同时,入口湍流强度越大,湍动能衰减的越慢,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越大.     

均匀各向同性湍流亚格子流场统计性质

采用平顶帽与高斯这2种物理空间过滤器,对各向同性DNS湍流场进行了过滤处理,得到了各向同性湍流的亚格子流场(SGS)以及对应的可求解尺度流场,并对它们的基本性质进行了研究.结果表明:随着过滤宽度增大,SGS流场的湍动能逐渐增加,通过与谱截断过滤器所得的SGS流场能量结果对比,发现其与物理过滤器存在明显的差别.同时,SGS与F-DNS场的自相关以及积分时间尺度也都增加;不同于全尺度场的关系,SGS场的拉氏积分时间尺度大于欧拉的时间尺度,时间尺度之比也随着过滤宽度增加而逐渐减小至全尺度流场的比值.     

存在温差的气体-颗粒两相流实验研究

为研究气体-颗粒两相流中温度梯度对流场特性的影响,采用三维粒子动态分析仪(particle dynamics analyzer, PDA)测量了水平管中颗粒的大小、速度和脉动速度之值.实验选用粒径小于100 μm的玻璃微珠,实验段中颗粒的体积分数约为10-4.通过PDA数据分析系统对小于2 μm和 48～52 μm颗粒的运动参数进行了分析,以小于2 μm颗粒作为两相中的气相参数.结果表明,在气粒两相流主流与壁面间存在温差时,两相流场的湍流强度和湍动能增加而横向速度减小,且在近壁区,湍流强度、湍动能和横向速度受温度场的影响更加显著.     

流动环境中热水负浮力射流的近区特性分析

在对流动环境中平面热水负浮力射流进行数值模拟的基础上就近区特性进行分析,得到了不同排放角度和射流比下涡心和分离点位置等特征量的值.分析了水面上流速、温度、湍动能及其耗散率变化规律,对涡心断面上的动量方程和湍动能平衡进行了研究.计算结果分析发现回流区内湍动能最大值存在滞后的现象,浮力作用对时均量的影响较大,而对紊动量的影响则比较小.