小攻角时风力机翼型边界层特性的数值模拟

通过求解三维不可压雷诺时均N-S方程,当雷诺数为3×106,攻角为0°时,研究了NACA0012翼型绕流的边界层厚度分布和边界层内流体切向速度的变化规律.研究发现,沿着翼型弦线方向,从前缘到后缘,边界层的名义厚度、位移厚度、动量损失厚度以及能量损失厚度均呈增大趋势,且数值均很小,四种厚度的最大值分别占翼型弦长的1.25%、0.36%、0.17%和0.29%;在边界层内流体黏性的影响明显,流体切向速度与其势流解的比值沿着翼型吸力面外法线方向先迅速增大,之后增长率逐渐减小,当法向高度大于边界层名义厚度后基本保持不变,呈现出典型的边界层速度剪切特性.     

壁湍流SL标度律相关参数的实验分析

标度律是研究湍流统计和湍流级串的重要工具,应用PIV系统的分辨率较高和帧率较高的特点,对在动量损失厚度雷诺数Reθ=2 694时,实验区域的脉动速度数值进行测量,利用统计学和小波分析的方法对SL标度律的间歇参数和最奇异标度指数进行拟合分析.结果显示:SL标度律的间歇参数并不是一个固定的数值,而是和尺度的大小及壁面位置有关;SL标度律的另一个参数最奇异标度指数是随着壁面距离和尺度的增大趋于稳定,在大尺度上与壁面的距离无关.     

纵掠平板速度和温度边界层湍流转捩区的积分方法

转捩边界层内壁面摩擦和传热特性急剧变化,转捩区的速度和温度分布特性研究具有重要理论意义.以外掠平板空气为研究对象,将自然转捩边界层沿厚度方向划分为层流底层和准湍流层两部分,采用三次多项式代表层流底层、1/7.5和1/7幂指数函数代表准湍流层速度和温度分布,利用积分方法建立了动量和能量积分方程组,获得了转捩区速度场和温度场的显式表达式,同时确定了壁面摩擦系数和努塞尔数大小,通过四阶龙格-库塔算法获得了动量和热边界层厚度大小,同数值解、DhawanNarasimha解(D-N解)和Coupland基准实验结果对比表明,给定条件下理论解精度达到4.8%,证明了理论模型的正确性,对提出的转捩边界层特征参数进行了参数研究,并给出间歇因子对层流底层的影响规律.     

壁湍流标度律与流动结构实验分析

标度律是研究湍流统计和湍流级串的重要工具,文中应用PIV系统的分辨率较高和帧率较高的特点,对在动量损失厚度雷诺数Re=2694时实验区域的脉动速度数值进行测量,利用统计学和小波分析的方法对SL标度律的间歇参数和最奇异标度指数进行拟合分析.从结果中可看出,SL标度律的间歇参数并不是一个固定的数值,而是和尺度的大小及壁面位置有关;SL标度律的另一个参数最奇异标度指数是随着壁面距离和尺度的增大趋于稳定,在大尺度上与壁面的距离无关.小波分析重构前后的流动图案显示也验证了湍流的级串过程及标度律运算的正确性.     

二维离心流场叶片边界层方程

建立了简化成二维定常不可压缩流体的离心泵叶片的边界层方程,并对相关量进行了分析。强调构造边界层内速度分布函数并设法得到边界层厚度的迭代式式对求解边层动量积分方程的重要性。     

速度边界层剪切定律

自20C初,路德维希·普朗特提出相关理论以来,边界层理论被人们所熟知。然而,边界层方程的解并不能恰当地描述高雷诺数流体。通过普朗特边界层方程的平均值和脉动值推导出带有脉动函数F的广义的Blasius方程,并且通过理论推导和数值模拟建立内边界层的速度剪切定律。前缘处边界厚度δ0=c2/Re u,其中Re u=U∞/ν,当求位移厚度时,c=1.720 8,求动量损失厚度时,c=0.664。此外,速度边界层上的极值定理和数值实验表明速度边界层的牛顿线性剪切定律完全满足于F=0.1和F=0.01,对于非线性剪切定律满足于F=0.001和F→0。这样的机制在传统的边界层理论中从未被讨论过。     

基于直接数值模拟数据分析的类-1湍流边界层内层律关系

湍流边界层普适统计规律探索一直是湍流研究中的重要课题.本文根据Schlatter和?rlü给出的零压梯度平板湍流边界层直接数值模拟数据,对沿流向存在壁面切应力变化的类-1湍流边界层提出再认识的必要性.首次采用时-空间平均摩擦速度作为尺度描述类-1充分发展湍流边界层内层,给出了对内层不依赖于雷诺数基于双控制参数的数学表达,并对其中两个控制参数进行了深刻的物理剖析.指出该数学表达式可以被视为同时考虑和引入了局部壁面切应力增量(Δ)和线性律适用范围特征量(D)这两个关键影响因子修正,并进一步验证了此修正对内层描述的准确性和有效性.研究获得了类-1和类-2湍流边界层内层的统一表达式及其适用范围,发现在大部分情况下,特别是当局部壁面切应力偏离时-空间平均壁面切应力时,内层数学表达式的适用范围在d*=8.0以上,最高可达到d*≈10.0,而传统线性律的适用范围则均在d*=6.0以下.明确揭示了其物理机制是内层速度的表达可根据边界层内层特点,准确描述近壁黏性底层和内层过渡区(非线性增长区)中的速度剖线发展趋势.此机制的发现为湍流边界层内层律的构建和与外层对数律的衔接,并为进一步发展完整统一的类-1、2湍流边界层壁面律提供坚实数学物理基础.     

壁面展向振动的可压缩槽道湍流的大涡模拟

采用大涡模拟对低雷诺数可压缩壁面展向高频振动的槽道湍流进行了模拟,详细研究了湍流相干结构的变化对边界层的温度场和热量输运的影响.首先,将得到的减阻数据和其他学者的结果进行对比分析,验证了该文的大涡模拟方法对展向振动控制的湍流模拟的可靠性.在此基础上,对温度场和热量输运进行了统计和分析,发现了槽道中的速度相干结构和温度结构始终保持高度的一致性;当速度相干结构受到抑制时,边界层中湍流对动量的输运和热量的输运同时下降,并且变化的趋势保持一致.这表明湍流相干结构在动量输运和热量输运中起到相同的主导作用.该文还得到了在合适的参数下,采用壁面展向振动技术可以实现平均壁面热流降低的结论.     

求解边界层计算离心风机叶道内的摩擦损失

提出一种计算离心通风机叶轮流道内不可压湍流边界层内摩擦损失的方法。该方法考虑了旋转、弯曲及二次流的影响,其特点是不采用卡门动量积分方程,而是将速度剖面直接代入运动微分方程进行积分,得到以壁面摩擦系数λ和横向相关系数ζ为未知量的方程组。以5-42型离心通风机叶轮为例,用该方法计算出的包括叶轮出口混合损失在内的叶轮总损失与实测值很接近。     

方型和矩型环管湍流直接数值模拟分析：I.平均流场,对直管道充分发展湍流边界层的再认识

通过对槽道,方型环管及矩型环管内一系列充分发展湍流的系统直接数值模拟研究,建立直管内充分发展湍流数据库,其中包括详细的湍流统计数据：（1）湍流平均流场,即平均流向速度与湍流驱动平均二次流（史称Prandtl第二类二次流）;（2）湍流雷诺应力场;（3）湍流能量谱.在此基础上,作为系统研究的第一部分,本文对这些流动构型的湍流平均流场,包括平均流向速度,由湍流驱动的平均二次流结构以及平壁-角域剪切应力等,进行仔细剖析,进而总结出具有规律性的重要物理内涵.建立了直管内充分发展湍流边界层的广义壁面律,其中涵盖了von Karman平壁律和Xu90°凸,凹角域律.通过构造广义抑制函数和广义加强函数来定量描述和揭示这些规律之间的数学物理联系.首次提出在广义湍流边界层的框架下,泛型直管道边界层内层底部无量纲壁面切应力可以在一个较为宽广的范围内存在,即w0Ud3.23.5.而传统意义上由von Karman平壁律所支配的单位无量纲切应力,即层流底层关系wUy1,则仅为广义壁面律中的中性情形之特例.广义湍流边界层概念的提出和直管内充分发展湍流广义壁面律的建立,对传统意义上的湍流边界层及其密切相关的平壁律物理机制和相应数学表述进行了重新认识和重要拓展,由此达到对泛型直管内充分发展湍流边界层再认知的目的.     

湍流边界层雷诺应力和壁脉动压强相位滞后分析

在风洞平板湍流边界层外层引入圆柱尾涡的周期性扰动,在尾流干扰下的湍流边界层内进行测量,对相位滞后关系进行了实验研究,给出了湍流边界层内的雷诺应力和壁面脉动压强相对于边界层内的大尺度结构变形率的相位滞后沿壁面法向的变化趋势,分析结果表明剪切湍流涡粘模式中的涡粘系数应该是随时均流梯度变化的复数形式.     

大涡模拟研究液态金属在环形管道内的湍流换热

使用大涡模拟方法,在雷诺数为Re=8 900和分子普朗特数Pr=0.01,0.026,0.2,0.4,0.71条件下对环形管道内的湍流对流换热过程进行数值模拟,计算分析湍流传热场中的平均温度、温度脉动、湍流热通量及湍流普朗特数Prt等物理量.通过与传统流体(Pr=0.4,0.71)的计算结果进行比较,研究了液态金属流体(Pr=0.01,0.026)的湍流对流换热特性.结果表明,液态金属流体湍流换热过程中分子热传导占主导地位,其湍流温度边界层内的线性区变长、对数律区变短甚至消失,温度脉动、湍流热通量变小.此外,相对于传统流体,液态金属的湍流普朗特数Prt比较大,且对Pr的变化很敏感.     

管道入口效应

粘性不可压缩流体在管道入口处流动,不同於完全发展的遵守Poiseuille律的层流流动.有自己的特殊规律.我们从层流道界层一般规律着手,系统地讨论:1.速度分布,2.入口长度,3.余压力降这三个问题.     

盐水实验模型盐源入口湍流强化设计研究

针对盐水实验盐源入口存在初始动量的问题,设计了盐源入口的湍流强化装置。通过计算的方法,确定不同热源强度下的盐源入口尺寸;采用CFD模拟的方法,利用湍流强度和速度均匀性指标来确定湍流强化装置的设计构造,实现盐源注入口小动量和大湍流度的注入条件。实验结果表明,能有效地减小其初始动量问题,提高了盐水实验在模拟热源附近羽流发展的准确性。     

有吹吸速度的外掠多孔平板湍流边界层的积分方法

具有吹吸速度的外掠多孔平板湍流流动特性是研究发散冷却和气膜冷却的基础,具有重要的理论研究意义.将湍流速度边界层划分为层流底层和湍流核心区,采用三次多项式和1/5次幂函数分别代表流体沿两个区域厚度方向的速度分布,通过积分方法建立了动量方程,利用四阶龙格-库塔法求解得到可渗透壁面湍流边界层速度场的理论解析解,同时获得了壁面摩擦系数.对比表明,解析解与Whitten、Blackwell试验结果以及Kays的经验公式符合得较为满意,证明了所提出的湍流理论模型的正确性.     

一维可压缩量子Navier Stokes方程组解的爆破

通过对加权动量进行估计, 在一维有界区域上证明当与初始动量有关的加权泛函充分大时, 可压缩量子Navier Stokes方程组的解将在有限时刻爆破. 结果表明, 当初始动量充分大时, 该方程组不存在这种整体时间解.     

湍流预混射流火焰直接模拟中入口条件的确定

该文对甲烷-空气湍流平面射流预混火焰进行了直接数值模拟。射流入口的扰动速度数据依据给定的湍流能谱生成,利用入口处的湍流积分长度尺度和湍动能确定了能谱的峰值波数。计算结果给出了气体温度、质量分数和涡量模的瞬态分布,表明在剪切层内随着旋涡尺度的增大出现了拟序结构。化学反应受到湍流的作用,瞬时反应面出现了明显的皱折,反应面积增大。沿射流中心线,湍动能逐渐衰减,温度脉动和甲烷质量分数脉动均方根值则逐渐增大。     

顺流平板的湍流边界层

本文作者将自己建议过的圆管湍流运劝的普适速度分布,用于不可压缩流动中顺流平板湍流边界层的分析,通过 Karman 动量积分,得到一组简明、准确的参数分析公式;进一步完善了内层变量法,给出了阻力系数 C_D 的积分式,以及相应的功应力公式和阻力公式。另外对部分重要阻力公式作了分析比较。     

非牛顿型流体的动量与热量传递 Ⅲ.非牛顿型流体强制湍流换热的流体动力学理论

本文从流体的动量传递与热量传递间类似观点出发,导出了适用于非牛顿型流体的普兰特——泰勒方程式。对服从指数律的非牛顿型流体,在强制湍流换热时的类似律为: 并且及出管内流动的滞流层过缘速度与其平均速度之比,在湍流时为: 上述各式均经用25%PVA溶液的传热教据验证。实际上,本文仅仅是将流体动力理论以及流体边界层概念推广应用于非牛顿型流体的换热理论研究中的第一步,致于卡门的换热理论如何用于非牛顿型流体的换热以及如何建立起非牛顿型流体的边界层微分方程,得而解出各层厚度等等,今后尚可继续发拓。     

Mach8的平板可压缩湍流边界层直接数值模拟及分析

对来流马赫数等于8,壁温等于10.03倍来流参考温度的平板可压缩湍流边界层做了直接数值模拟,计算涵盖了从层流到转捩以及最终充分发展湍流的全空间演化过程.对湍流的统计特征做了详细的分析,结果表明,在当前的计算工况下,湍流边界层核心区平均速度剖面仍然满足对数率,且卡门常数基本不变;可压缩效应明显增强,由于采用近似恢复温度的等温壁条件,使得近壁区温度较高,导致当地声速增大,使得湍流马赫数绝对值较低,造成内在压缩性效应不强,与经典强雷诺比拟相比,除在数量上产生一些偏差外,强雷诺比拟关系近似成立,且Morkovin假设依然有效;对扩展自相似性和标度率分析表明,对于平板可压缩湍流边界层而言,高马赫数流动使得其适用范围减小;压缩性效应对近壁湍动能,条带结构,涡等值面分布的影响得到分析.