管内脉动层流动力学特性研究

采用数值模拟方法对圆管内低频率脉动层流动力学特性进行了研究,分析了管内脉动层流速度以及流体剪切应力分布特性.研究结果表明:脉动层流中出现回流现象,且速度边界效应的范围与脉动频率有关.脉动频率越大,速度边界层范围越小,边界层内速度梯度越大.在边界层内,流体剪切应力的作用方向出现周期性变化.随着振幅A的增大,壁面剪切应力先增后降,然后再增,最后趋近于某一值.而管道压降随着振幅的增大最初变化并不明显,在A=0.6时压降急剧增大,而当A0.8时明显降低.综合考虑脉动频率和振幅对壁面剪切应力与压降的影响规律,存在最佳振幅,且最佳频率为0~2.5Hz.     

Stanton－Tube在测量流体壁面剪切力中的几个问题

对所给出的流体剪切力测量装置Ｓｔａｎｔｏｎ管，在空气管流与风洞中进行了广泛的试验研究，试验表明，这种差压管所测量的流体剪切力值可由文中所导出的公式表示为压差的幂函数，Ｓｔａｎｔｏｎ管的敏感结构尺寸在于它的总高度Ｈ，若能从结构上将Ｓｔａｎｔｏｎ管在固体表面法向上的高度尺寸降至湍流边界层层流底层厚度以下，则可不必对其进行标定而直接利用公式从压差值△Ｐ导算出流体剪切力。     

Stanton—Tube在测量流体壁面剪切力中的几个问题

对所给出的流体剪切力测量装置Ｓｔａｎｔｏｎ管，在空气管流与风洞中进行了广泛的试验研究，试验表明，这种差压管所测量的流体剪切力值呆由文中所导出的公式表示为压差的幂函数。Ｓｔａｎｔｏｎ管的敏感结构尺寸在于它的总高度Ｈ，若能从结构上将Ｓｔａｎｔｏｎ管在固体表面法向上的高度尺寸降至湍流边界层层流底层厚度以下，则可不必对其进行标定而直接利用公式从压差值ΔＰ导算出流体剪切力。     

强化对流换热场协同唯象理论

根据现代热力学流与力的热力学线性唯象关系，导出了对流换热强度与流体中存在的各种内场及外场的关系，从唯象上阐明了降低热边界层厚度、增加流体优动和增加近壁面速度梯度的强化对流换热方法的物理机制。结果表明，强化对流换热的本质是控制内场和外场方向的协同，并从此可指导发展强化对流换热的新方法。     

近壁圆柱绕流积沙线的形成机理研究

应用粒子图像测速(PIV)系统进行近壁圆柱绕流实验,探讨壁面积沙现象的机理.分别在两个动量损失厚度雷诺数1 092和796下,对两个不同直径的圆柱,取间隙比(圆柱与壁面间的距离与圆柱直径之比)0到1.5中的12个值进行实验,总结了不同情况下积沙线的形成特点.研究结果表明:积沙线形成的可能原因是由于圆柱对平板壁面边界层的影响,使得边界层流动在圆柱下游一到两倍圆柱直径的平板壁面处发生壁面分离,在分离区域流体速度减小,并且产生附着涡,流体运动挟带到此处的粒子速度减小,发生沉积而形成.     

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.     

强化对流传质的物理机制及其控制

根据对流传质强度与流体中存在的各种内场及其外场的关系，阐明了降低浓度边界层厚度、增加流体扰动和增加近壁面速度梯度的强化对流传质方法的物理机制，其本质是控制流体中内场及其外场之间的相互协同。进一步给出了强化传质场协同控制方法，以此可指导发展强化对流传质单元的新方法。     

考虑局部非热平衡的流体层流横掠多孔介质中等温平板的边界层分析

在考虑流体和多孔介质之间瞬时局部非热平衡的前提下,对流体强迫层流横掠多孔介质中等温平板的二维流动应用Brinkman-Forchheime-extended Darcy模型建立守恒方程组。对方程组进行数量级分析简化,应用积分法进行近似计算,得出了速度边界层厚度、热边界层厚度、壁面黏性摩擦系数和对流传热系数的计算公式。结果表明:在多孔介质中沿平板的速度边界层厚度与光板时明显不同,在平板前端迅速增长,随后逐渐变得平坦,趋于一个恒定值;而热边界层厚度则与光板时类似。     

激波管平衡边界层的数值解

本文研究了激波管中运动激波诱导的可压缩层流边界层。以氮气为试验气体,在强激波Mach数下,给出了平衡真空气体效应时的一种数值方法,并在M_s=2～12的范围内得出了边界层内的速度分布和速度梯度分布以及温度分布和温度梯度分布的计算结果。还讨论了粘性因子l(η)=ρμ/(ρμ)_w对层流边界层特性的影响。     

Karman边界层动量方程中的层流速度分布方程

针对层流流动,提出了一个新的指数型速度分布方程。将其代入karman边界层动量方程后,求得的边界层厚度、边界层中任意点的流速、平板壁面上的总曳力及曳力系数均与Basius精确解极为接近。     

Similarity solutions to a laminar boundary layer problem in power law fluids

A suitable similarity transformation is introduced to reduce the laminar boundary layer equations of power law fluids to a class of singular nonlinear two-point boundary value problems. The kin friction and shear stress distributions for boundary layer flow over amoving flat plate are investigated by utilizing the shooting technique. Results indicate that for each fixed value of the power law exponent n or the velocity ratio parameter xi, the skin frictionand shear stress decrease with the increasing of n or ξ respectively.     

内燃机缸内近壁气流速度及温度分布特性的数值分析

为解决内燃机缸内近壁处的气体流动和传热问题，研究了内燃机缸内近壁处的气流温度和速度分布特性．以二维可压缩平面边界层流动方程为基础，根据准稳态能量定律的假设，以F因子作为修正系数，建立了曲面边界层的二维模型，并计算了温度和速度边界层在曲面上的分布．结果表明：热边界层和速度边界层的厚度数量级均为10^-3m；壁面温度高处热边界层厚，反之较薄；气流速度梯度较大处速度边界层薄，反之较厚．计算结果得到了激光实验测量结果的验证．     

车身非光滑表面边界层流场特性分析

为了研究非光滑车身表面边界层流场特性,采用大涡模拟与Realizable k-ε湍流模型对车身外部瞬态和稳态流场进行数值模拟计算,对比分析了非光滑模型与光滑模型边界层内速度、粘性底层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力因数、湍流强度和湍流耗散率等流场参数,解析了非光滑表面对车身流场流动特性的影响.研究结果表明,非光滑模型边界层内速度明显高于光滑模型,边界层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力因数、湍流强度、湍流耗散率都比光滑模型有所减小.非光滑表面的引入加剧了车身尾迹气流的参混效应,防止外界的高速流对内部低速流的引射作用,从而减少了车身流场能量的损失.     

幂律流体延伸表面逆来流边界层特性分析与数值模拟

首先利用量级分析理论对幂律流体延伸表面边界层流动进行分析,得到边界层厚度的量级和影响因素;引入量纲为1变量,将动量边界层的控制方程转化为量纲为1的控制方程组. 数值求解了具有不同幂律指数n的流体在平板逆来流且平板运动参数ζ不同的情况下的层流边界层流场,分析了幂律指数n和平板运动参数ζ对动量边界层厚度、量纲为1速度分布和量纲为1剪切力分布的影响规律. 结果表明,速度边界层的分布不仅和平板运动参数有关,而且和幂律指数有关.     

紊流边界层混凝作用探讨

通过对粘性流体紊流边界层的结构分析,得到混凝反应中关键性的控制因素,速度梯度和紊流切应力.讨论了这两个主要因素的变化规律,据此设计了更加理想的反应器结构,希望在混凝过程中能够对微粒的碰撞与聚合成长起到更好的作用.从根源上解释了紊流流场中速度梯度和旋涡的产生,试图把最近发展的涡旋混凝理论与传统的混凝理论进行统一.     

加速度不对称波浪作用下的底部边界层动力特性

为了研究加速度不对称波浪对底部边界层的影响,建立加速度不对称波浪作用下的底部边界层数学模型,复演物理模型试验中的流速剖面、紊动强度和床面剪切应力,在此基础上探讨加速度不对称波浪边界层的动力特性。结果表明,波峰半周期内正向加速阶段的加速度比较大,引起较快的边界层发育、较大的流速梯度和较大的紊动能量,产生了正向的周期平均床面剪切应力;这些现象随加速度不对称系数的增大而更加明显;在振荡水槽中,加速度不对称波浪边界层内存在底部反向和顶部正向的时均流动,加速度不对称系数的增大会增强底部反向流速;在开敞水域中,时均流速在整个边界层内都是正向的,底部出现"流速外突"的现象,顶部流速趋于均匀分布,加速度不对称系数的增大会减弱底部正向流速。     

非光滑表面离心泵叶轮的流动减阻特性

为了分析非光滑表面对离心泵性能的影响,基于仿生凹坑表面的减阻特性,将凹坑型非光滑单元体排布于离心泵叶片的工作面,建立具有非光滑表面的叶轮离心泵的流动减阻特性分析模型,通过RNGk-ε湍流模型对离心泵内部流场进行数值模拟,分析具有非光滑表面叶轮的流动减阻特性,研究不同流量下非光滑表面对叶片近壁面的速度分布、剪应力和离心泵内部流场的影响.结果表明:凹坑型非光滑表面能够降低因黏性阻力产生的叶轮扭矩,其扭矩的最大降幅为5.8%;非光滑表面能够有效控制叶片近壁面边界层的流体流动,减小叶片的壁面剪应力;凹坑型非光滑表面能够降低离心泵叶轮内部流体的湍动程度,减小湍动产生的能量耗散,使叶轮内部的流体流动更加稳定并提高离心泵的效率.     

An experimental study on fine structures of supersonic laminar/turbulent flow over a backward-facing step based on NPLS

Fine structures of supersonic flow over a 5 mm high backward facing step(BFS),including expansion wave fan,reattachment shock,supersonic boundary layer were measured in a Ma=3.0 low-noise indraft wind tunnel.By varying the superficial roughness of the wall upstream from the step,supersonic laminar flow and supersonic turbulent flow could be formed over a BFS.Measurements on the spatiotemporal features of the holistic flow field and the fine structures in four typical regions were carried out using NPLS(nano-based planar laser scattering).Flow structures,including expansion wave fan,reattachment shock,supersonic boundary layer and its separation,reattachment and redevelopment are revealed by measuring the holistic structure of the transient flow field.Comparing the two time-averaged flow fields with each other,it is apparent that supersonic turbulent flow over a BFS(STF-BFS) has a larger expansion angle and a shorter recirculation region,and its redeveloped boundary layer increases at a smaller obliquity while the angle of reattachment shock is the same for the supersonic laminar flow over a BFS(SLF-BFS).With regard to time-evolution features,the K-H vortices in the SLF-BFS suffers from shearing,expansion,reattachment and three-dimensional effects while in the STF-BFS large-scale structures are affected by the incline and distortion at the reattachment point due to expansion,viscosity and reverse-pressure.Studies on local regions indicate that in the SLF-BFS,the emergence of compression waves which distinctly converge into a reattachment shock is due to the local convective Mach number and the inducement of K-H vortices in the free shear layer.Nevertheless,in the STF-BFS,compression waves and K-H vortices are barely evident,and the formation of a reattachment shock is related to the wall compressive effect.     

不同流变模式钻井流体圆管层流压耗的通用精确算法

钻井工程常用的管流压耗分析方法计算精度低,且不能适应一些相对复杂的流变模式。在已知流变方程的条件下,利用通用圆管流量方程建立流量与管壁切应力或管壁剪切速率的精确关系式,通过该关系式由给定的流量求解管壁切应力,进而获得圆管层流压耗精确值。这种方法适用于所有流变模式的钻井流体圆管层流,具有普适性好、建模过程简单、模型精度高等特点;室内试验表明该算法相对于传统算法是一种更加精确的圆管层流压耗计算方法;该方法的提出为一些复杂的流变模式在钻井工程及其他工程领域的推广应用提供了良好的基础。