求解不可压三维湍流的隐式SMAC方法

该文基于SM AC(s im p lified m arker and ce ll)方法,发展了一种在任意曲线坐标系中求解三维粘性不可压湍流R eyno lds时均方程的全隐式数值方法。基本方程是以逆变速度为变量的R eyno lds时均动量方程和椭圆型压力Po isson方程,并采用标准k-ε湍流模型封闭方程组。压力Po isson方程用T schebyscheff SLOR方法交替方向迭代求解。R eyno lds时均动量方程、k方程和ε方程对流项均采用Chakravarthy-O sher TVD格式离散,该格式不但有助于提高数值稳定性,而且能有效消除网格扭曲较大的地方产生的非物理振荡误差。用自编程序对后台阶方腔流场进行了计算,计算结果和实验结果吻合较好。     

数值模拟气泡在粘性液体中上升运动的Euler—Lagrange方法

在考虑界面张力的条件下，用边界层方法通过把液体粘性对无粘势流的影响化为修改势流在自由面上边界条件的办法，导出了数值模拟二维气泡在粘性液体中上升和变形的边界积分方法，势流计算采用Ｌａｇｒａｎｇｅ坐标，粘性修正采用Ｅｕｌｅｒ坐标，边界层近似的误差为δ的三次方量阶。数值模拟结果显示，在大气泡情形，粘性的影响很小，随着气泡尺寸的减小，表面张力和粘性的影响都增强，但与表面张力相比，粘性的影响处于比较次要的地     

中低Reynolds数泡状流变形气泡升力的实验研究

为研究气泡变形对泡状流中气泡升力的影响,基于Mei给出的球形颗粒升力公式,根据竖直圆管Poiseuille流场中气泡(颗粒)所受升力与壁面力平衡的原理,通过实验研究了竖直圆管Poiseuille流场中在14.2＜Re＜68.0、0.76＜Eo＜5.45、0.01＜Ca＜0.19条件下气泡和轻颗粒的运动,并进行了对比分析.得到相同条件下等当量直径的气泡和颗粒所受升力之比,进而获得了气泡的升力经验关系式.该关系式能够准确描述高粘度液体中变形气泡的升力,但描述负升力和低粘度液体中气泡升力的准确性还有待进一步验证.     

固阀塔板上密集鼓泡区气泡的运动行为特征

利用双头电导探针测定了固阀塔板上密集鼓泡区气泡的运动速度,考察了密集鼓泡区不同轴向高度的气泡速度分布规律及其分形特征,分析了塔板上密集鼓泡区的气泡运动行为。研究结果表明:不同轴向高度处气泡速度沿同方向的分布具有相似性,近塔中心区域气泡速度变化平缓,呈弱双峰分布;塔板上气泡速度分布具有分形特征,分形维数为1.04~1.25,且随轴向高度的增加均先减小后增大;深层鼓泡区内气泡速度分布的分形维数可以较好地表征气泡运动的湍动强度,两者之间存在线性关系,气泡流湍动强度及分形维数与泡沫层高度间存在指数函数关系。     

液-液传质过程中液滴内界面湍动现象

在水-丙酮-甲苯和水-丙酮-甲基异丁酮两种液-液体系中,使用放大投影法,在包括Rayleigh对流影响和排除Rayleigh对流影响的情况下,观察了溶质在液滴与连续相之间传质引发的界面湍动现象,结果表明,液-液传质过程中液滴内部的界面湍动强烈,对传质有强烈的促进作用.Marangoni对流单独作用下的液滴内部界面湍动强度大,可充满整个液滴内部,而当Marangoni对流与Rayleigh对流耦合存在时,液滴内部界面湍动强度较小,仅存在于液滴界面内侧附近,不能充满整个液滴内部空间.     

管道内气液两相泡状流k—ε—kg—εg模型

从标准的单相湍流k-ε模型出发,提出了一个任意非正交曲线坐标系下模化管道内气液两相泡状流的k-ε-kg-εg模型。在该模型中,气泡湍动能的耗散受其自身耗散方程的制约,并全面考虑了气泡湍动能本身的对流、扩散、生成和耗散以及与液体之间的耦合作用。该模型在理论上比k-ε模型和k-ε-kp模型更加完善。采用该模型的数值模拟结果与试验数据吻合良好,二者相对误差在计算范围内不超过20％。     

气液固三相逆流湍动床流体动力学特性的三维数值模拟

基于多相流欧拉模型,应用计算流体动力学（CFD）软件Fluent 6.3,数值模拟了轻颗粒流、液体间歇方式进料的三维气液固逆流三相湍动床的流体动力学特性,考察了床内颗粒的轴径向速度和固含率分布规律。模拟发现：床内颗粒流化时存在颗粒的汇集行为;颗粒由床中心向壁面运动,中心附近颗粒径向速度大,壁面附近颗粒径向速度小;颗粒轴向速度分布不均匀,呈＂两头小中间大＂的趋势;固含率壁面附近高,中心附近低,并随轴向高度增加而减小;床内平均固含率随表观气速或液体黏度的增加而减小。     

预负荷系数对三油楔径向滑动轴承稳定性的影响

以三油楔径向滑动轴承为研究对象,采用M atlab语言进行编程,对二维R eyno lds方程离散化数值求解,探讨了预负荷系数对三油楔径向滑动轴承稳定性的影响。得出了三油楔径向滑动轴承稳定性在不同偏心率和宽径比下随轴承预负荷系数的变化而变化的一系列规律性曲线,并进行了理论分析。     

单个气泡在加压液-固流化床中上升速度的模型与计算

以考虑浮力、液相粘性阻力和颗粒相碰撞力的气泡受力平衡关系式为基础,发展并建立了加压液一固流化床中单个球形气泡上升速度的理论模型．针对不同的床内压力和颗粒相体积分数,计算了单个气泡在加压液一固流化床中的上升速度,并与实验测量数据进行了比较。     

垂直转子轴式微型泵的LBM模拟

为了对垂直转子轴式微型泵内部流动规律进行深入研究,采用格子Bo ltzm ann法(LBM)对该微型泵全流场进行了数值模拟。采用基于插值公式及固壁处动量平衡的弯曲固壁统一边界条件和移动边界条件,对具有圆、椭圆、互垂直双椭圆等3种不同截面形状转轴的微型泵内部流动进行了定常与非定常的计算,得到了微型泵进出口处平均压差、出口处平均量纲一化速度随时间的演化过程。结果表明:随着R eyno lds数的减小,流体的粘性作用不断增大,垂直转子轴结构可对流体进行更加有效的输送;圆形截面转轴比椭圆和互垂直双椭圆截面转轴具有更好的泵送性能。     

基于Helmholtz速度分解的黏势流耦合方法

针对Navier-Stokes(N-S)方程,根据Helmholtz速度分解,将流场速度分解为势流部分和非势流部分,剥离势流部分后得到黏势流耦合的变形N-S方程.变形N-S方程求解的是非势流部分速度分量,其在远场的影响较弱,故较传统计算流体动力学(CFD)方法求解N-S方程计算区域小,计算效率较高.以圆柱绕流为例,势流部分速度分量采用解析解,并在OpenFOAM平台内实现了变形N-S方程的黏势流耦合计算.对不同雷诺数下圆柱绕流进行了计算模拟,并将耦合方法计算获得的流场中的速度、压力,与文献中的试验及传统CFD等计算的结果进行仔细比较和分析,相关结果吻合良好.研究表明,该方法适用于层流和湍流模型的计算模拟,为改善黏流计算效率提供了新的途径.     

偏置式垂直转子微小型泵内的黏性流动

为研究垂直转子微小型泵的内部黏性流动,根据偏置于两平板间的转子两端剪切力不平衡的原理,设计了一种偏置式垂直转子微小型泵,并利用粒子成像测速(PIV)技术对泵体内部的黏性流动进行了可视化量测。根据N-S方程对微小型泵的内部粘性流动进行了数值模拟计算。用这2种方法均得到了泵体内部的流线分布、泵体出口端面的平均速度和体积流量与Reynolds数的关系曲线。比较和分析结果表明:当Reynolds数小于100时,泵体出口端面的平均速度、体积流量与Reynolds数基本成正比关系;随着Reynolds数的减小,流体的黏性作用相对增大,垂直转子微小型泵可对流体进行更加有效的输送。     

微小型泵内粘性流动的试验与基础研究

为了对垂直转子微小型泵的内部粘性流动规律进行深入研究,根据偏置于两平板间的转子两端剪切力不平衡的原理,设计了一种偏置式垂直转子微小型泵,并利用粒子成像测速(PIV)技术对泵体内部的粘性流动进行了可视化量测。根据N-S方程对微小型泵的内部粘性流动进行了数值模拟计算。两种方法均得到了泵体内部的流线分布、泵体出口端面的平均速度和体积流量与Reynolds数的关系曲线。比较和分析结果表明:当Reynolds数小于100时,泵体出口端面的平均速度、体积流量与Reynolds数基本成正比关系;随着Reynolds数的减小,流体的粘性作用相对增大,垂直转子微小型泵可对流体进行更加有效的输送。     

Fluid particle accelerations in fully developed turbulence

The motion of fluid particles as they are pushed along erratic trajectories by fluctuating pressure gradients is fundamental to transport and mixing in turbulence. It is essential in cloud formation and atmospheric transport, processes in stirred chemical reactors and combustion systems, and in the industrial production of nanoparticles. The concept of particle trajectories has been used successfully to describe mixing and transport in turbulence, but issues of fundamental importance remain unresolved. One such issue is the Heisenberg-Yaglom prediction of fluid particle accelerations, based on the 1941 scaling theory of Kolmogorov. Here we report acceleration measurements using a detector adapted from high-energy physics to track particles in a laboratory water flow at Reynolds numbers up to 63,000. We find that, within experimental errors, Kolmogorov scaling of the acceleration variance is attained at high Reynolds numbers. Our data indicate that the acceleration is an extremely intermittent variable--particles are observed with accelerations of up to 1,500 times the acceleration of gravity (equivalent to 40 times the root mean square acceleration). We find that the acceleration data reflect the anisotropy of the large-scale flow at all Reynolds numbers studied.     

微型飞行器齐默曼与反齐默曼机翼的气动力学特性分析

以固定机翼式微型飞行器(miniature air vehicle, MAV)的气动设计为研究背景, 对小展弦比低雷诺数下不同长短轴比值(long-short axis ratios, LSARs)的齐默曼和反齐默曼机翼流场进行数值分析. 采用人工压缩性方法求解不可压粘性绕流, 应用三阶迎风格式离散对流项, 湍流模型为Baldwin-Barth一方程模型. 通过对比齐默曼和反齐默曼两种布局机翼的数值结果与实验值, 验证了数值方法的正确性. 通过分析不同长短轴比值齐默曼和反齐默曼机翼的气动性能, 揭示出在长短轴比值相同的情况下, 反齐默曼机翼有较高的升力, 且其升阻比随着长短轴比值的减小而增大.     

可压缩气体中的三维粘性液体空心柱射流稳定性分析

针对可压缩气体介质中的空心圆柱形粘性液体射流建立了三维模型,并对射流的空间稳定性进行了分析.影响扰动增长率的无量纲参数有Reynolds数、Weber数、气液密度比、气体介质相对于射流运动参考系的Mach数及空心柱内半径与液膜厚度比.Reynolds数在液体射流雾化过程中始终起着不稳定性的作用,但它对不稳定扰动波波数的范围没有影响.扰动增长率及不稳定扰动波波数的范围均随Weber数的增加明显增大.气液密度比在液体射流雾化过程中具有加速射流雾化的作用.气体介质相对于射流运动参考系的Mach数对射流雾化过程具有不稳定性的作用,也就是说气体的可压缩性在液体射流雾化过程中具有不稳定性的作用,它的增加会促进雾化过程的进行.当空心柱内半径与液膜厚度比较小时,它在雾化过程中具有不稳定性的作用,反之则具有稳定性的作用.     

Sedimentation of a single particle between two parallel walls

The sedimentation of a single circular particle between two parallel walls was studied by means of direct numerical simulation (DNS) and experiment. The improved implementation of distributed Lagrange multiplier/fictitious domain method used in our DNS is a promising new way for simulation of particulate flows. The settling behaviors of the particle are presented ranging in Reynolds number from 0 to about 700, which showed that our results for low Reynolds numbers agreed well with that reported before. Nevertheless, for higher Reynolds numbers our results were different from theirs. The long-term mean equilibrium positions in our results were all on the centerline, but not at off-center position as reported before. In order to validate our simulation, experiments were also conducted. The results showed that the sedimenting behavior simulated in this paper agreed well with our experiment result.     

Hydrodynamic turbulence cannot transport angular momentum effectively in astrophysical disks

The most efficient energy sources known in the Universe are accretion disks. Those around black holes convert 5-40 per cent of rest-mass energy to radiation. Like water circling a drain, inflowing mass must lose angular momentum, presumably by vigorous turbulence in disks, which are essentially inviscid. The origin of the turbulence is unclear. Hot disks of electrically conducting plasma can become turbulent by way of the linear magnetorotational instability. Cool disks, such as the planet-forming disks of protostars, may be too poorly ionized for the magnetorotational instability to occur, and therefore essentially unmagnetized and linearly stable. Nonlinear hydrodynamic instability often occurs in linearly stable flows (for example, pipe flows) at sufficiently large Reynolds numbers. Although planet-forming disks have extreme Reynolds numbers, keplerian rotation enhances their linear hydrodynamic stability, so the question of whether they can be turbulent and thereby transport angular momentum effectively is controversial. Here we report a laboratory experiment, demonstrating that non-magnetic quasi-keplerian flows at Reynolds numbers up to millions are essentially steady. Scaled to accretion disks, rates of angular momentum transport lie far below astrophysical requirements. By ruling out purely hydrodynamic turbulence, our results indirectly support the magnetorotational instability as the likely cause of turbulence, even in cool disks.     

展向和流向间距不同的粗糙元壁湍流ADV实验研究

为了揭示粗糙元对壁湍流的影响,采用声学Doppler流速仪(ADV)对布有展向或流向圆柱形粗糙元的壁湍流进行了实验测量。研究了不同Reynolds数下不同间距粗糙元对壁湍流流向平均速度和湍流度的影响。结果表明:在同一Reynolds数下,粗糙元展向间距为7倍直径时的壁湍流流向平均速度最小,湍流度最大。粗糙元流向布置的壁湍流流向平均速度随粗糙元间距的减小而减小,湍流度随粗糙元间距的减小而增大。相比流向粗糙元,展向粗糙元对湍流流动特性影响更大。研究结果对壁湍流流动控制和强化换热的工程应用具有指导意义。