水下湍流激励复合材料板的振声特性研究

为有效控制水下复合材料结构受湍流壁面脉动压力激励引起的结构自噪声,利用模态展开技术和高阶剪切形变理论,结合湍流壁面脉动压力功率谱建立了水下湍流壁面脉动压力激励复合材料板的Rayleigh-Ritz模型,并推导了结构振声响应的封闭解.利用该方法探讨了复合材料板的弹性模量、密度、阻尼等材料参数,以及铺层角度和厚度等参量对水下湍流激励引起结构振动和声辐射的影响.研究发现:通过增大结构阻尼是抑制水下湍流壁面脉动压力激励复合材料板的振声响应的最佳有效途径,同时提高结构抗弯刚度也能达到较好的减振降噪效果,尤其在抑制振动方面作用显著.     

后台阶分离再附湍流流动的实验研究

采用激光粒子图像速度仪(PIV)对低速水槽中二维后台阶分离再附湍流流动进行了系统的实验研究．通过大量重复高空间分辨率瞬态速度场测量，获得了时均再附点位置和时均速度场．对实验结果进行统计分析得到了流向、法向速度分量的脉动场、雷诺应力场和展向涡量场，并给出了小涡结构配对、合并和大尺度相干旋涡结构形成过程中所出现的流动特征．     

合成射流控制下低压高负荷透平叶片边界层分离大涡模拟

为了研究合成射流对低压高负荷透平叶片边界层流动分离进行控制的效果及机理,采用大涡模拟方法对利用合成射流控制低压高负荷透平Pak-B叶栅内的非稳态流动分离特性进行了研究.在合成射流控制下的结果表明:Pak-B叶栅吸力面流动分离位置变化不大,再附位置明显提前,叶栅吸力面尾缘区域逆压梯度明显减小,总压损失系数降低,分离泡尺寸缩小;叶栅吸力面大部分剪切层黏附于壁面,也未出现大尺度二维展向涡,静压脉动特征频率向高频转移,低频脉动幅值降低,大尺度涡旋结构发生变化.通过研究还发现:在吹气过程中,边界层外部高能流体被射流卷吸进入边界层内,边界层内流体能量增大进而抑制了分离;在吸气过程中,射流孔上游区域边界层厚度减小,流速增大,从而抑制了下游流动分离.     

沟槽壁湍流减阻机理的氢气泡流动显示及数字图像分析

应用氢气泡流动显示和数字图像处理技术,对微型沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.对开口循环水槽中沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带流动结构及其猝发现象进行了氢气泡流动显示,应用"帧间比较"定量分析方法,获得了水平平面内流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布,并对沟槽壁面和平板壁面近壁面区域湍流相干结构的氢气泡流动显示图像进行了比较分析,根据流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布分析了沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带结构的展向尺度特征,从壁湍流相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.     

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.     

边界层人工转捩的大涡模拟及壁面脉动压力研究

为了验证边界层人工转捩技术实现船模边界层壁面脉动压力载荷相似的可行性,采用大涡模拟以及功率谱估计获得平板湍流边界层壁面脉动压力功率谱,并与试验值、半经验模型值进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。采用大涡模拟获得了绊线上下游壁面脉动压力的均方值、自功率谱和波数频率谱;以脉动压力均方值、自功率谱特征为判据,对比了方形、锯齿形绊线的转捩效果。结果表明:绊线高度雷诺数大于吉宾斯雷诺数;两种绊线均可实现边界层转捩,且壁面脉动压力的功率谱特征、谱级相近;与同流速平板湍流边界层相比,即使在当地雷诺数较低时,绊线下游边界层壁面脉动压力自功率谱平台区仍然高出10 dB左右。设计的绊线可用于减弱船模边界层壁面脉动压力的尺度效应,并有助于实现壁面脉动压力载荷相似。     

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.     

双尺度二阶矩两相湍流模型及其应用

基于将颗粒脉动分成湍流引起的大尺度脉动和颗粒间碰撞产生的小尺度脉动的概念,用统一的方法处理两类脉动,建立了稠密两相流动的双尺度二阶矩两相湍流模型。用该模型对下行床内稠密两相流动进行了数值模拟。模拟结果和实验结果符合,和考虑碰撞的单尺度二阶矩湍流模型的结果接近,比其有一定程度的改进。结果表明,由于颗粒的碰撞,小尺度脉动也呈一定程度的各向异性,而且小尺度脉动和大尺度脉动在大部分区域内减小,而在接近壁面处增大。     

大尺度类波形壁面湍流边界层TR-PIV实验研究

针对传统波形壁面因尺度微小所引发的加工困难、维护费用昂贵等问题,设计了一种大尺度的类波形壁面．对虎鲸的皮肤嵴结构进行放大和形貌改良,得到的大尺度类波形壁面可以更好地适用于工程实际;研究了大尺度类波形壁面对湍流边界层的影响,分析了其减阻效果及减阻机理．采取高时间分辨率粒子图像测速(TR-PIV)技术,对光滑壁面和振幅与波长之比分别为2a₁/λ=0.033、2a₂/λ=0.050、2a₃/λ=0.066的3种大尺度类波形柔性壁面湍流边界层流场进行了实验测量,对流场中的时空相关函数进行计算．分析一个波长范围内流向、法向速度及压力分布,发现波形结构下坡段附近的逆压梯度使得流动减速,爬坡段附近的顺压梯度则加速了流动,减速效果最强位置位于波谷,加速效果最强位置位于波谷始末,流场中的速度在两个极值内变化．对不同工况下类波形壁面末尾凹槽下游紧邻平板区域各阶统计量进行了对比,结果表明3种类波形壁面的平均速度剖面于对数区表现出不同幅度的抬升,近壁区平均速度均有不同程度增大;近壁区流场雷诺切应力具有明显的降低,近壁区湍流脉动被抑制,雷诺应力的...     

贴壁方柱湍流场高分辨率PIV实验研究

采用粒子图像速度场测试技术(PIV),测量了低速循环水槽中贴壁二维方柱湍流场.实验中采用了1 100万像素CCD相机,所测得的速度矢量空间分辨率达0.72 mm×0.72 mm.通过对该分离再附湍流的1 500个瞬时速度场数据进行统计分析,获得时均速度场及时均再附点精确位置,并得到了流向、法向速度分量的脉动强度和涡量场.此外,从流场回流因子分布可知低速回流区在法向的振荡幅度为0.15D(D为方柱截面边长),而沿流向上下游的振荡幅度分别为0.5D和2D,表明旋涡相干结构输运、再附过程以及回流区的低频振荡对流场影响较大.     

沙波附近紊流拟序结构特性初步研究

在底部为定床沙波的循环水槽中采用流场综合分析法将流动显示与计算机图像处理相结合进行系统实验研究，重点研究了紊流猝发形态和特性。分析表明：沙波床面对明渠紊流拟序结构的特性有重要影响。水流在沙波坡顶分离，沙波周围高于沙波顶部的流区为自由紊流区，低于沙波顶部的流区为沙波紊流区；在自由紊流区典型的剪切混合层也有显著的以喷射和清扫为主要特征的猝发现象；在沙波紊流区的沙波迎水坡面上水流分离，在背水坡附近产生漩涡；自由紊流区与沙波紊流区之间的紊流拟序结构不同，它们相互作用的结果产生了特有的泡漩现象；沙波紊流区和自由紊流区的紊流拟序结构和它们的相互作用对可冲积河流的水流与泥沙运动有决定性作用。     

平面射流及平面射流火焰中拟序结构的实验研究

在设计和组建了二维平面射流及平面射流燃烧实验系统的基础上 ,对二维平面湍射流流场及平面湍射流燃烧场进行了流场显示实验研究。实验采用烟雾作为示踪粒子 ,由 He- Ne气体激光器产生的激光束经柱面镜后形成片光源实现对流场的照明。实验给出了不同射流伴流速度比下二维平面湍射流的流场显示图像 ,不同的射流发展阶段流场中的大尺度湍流拟序结构的形态及其发展演变情况以及射流燃烧场中湍流拟序结构的形态。实验同时表明 ,在射流燃烧情况下 ,火焰的存在使喷嘴出口处的流动层流化 ,并显著降低初始剪切层的增长     

气液两相流多尺度相干结构及其间歇性

小波分析用于流体力学的研究已有一定的进展,采用恒温热膜测速技术,以高于对应的最小湍流时间尺度分辨率,精细的测量了鼓泡塔内不同空间位置的瞬时气液两相流动速度信号。基于子波系数的瞬时局部平坦因子,提出用子波分析检测湍流多尺度相干结构的条件采样方法,以单气泡结构的相位平均波形为基础,对鼓泡塔内气液两相湍流场进行了研究。结果表明:鼓泡塔中气泡结构是两相湍流产生奇异性和间歇性的诱因,喷嘴出口区域的一定喷射锥角范围内,才有气泡结构,并受到对应的平坦因子及间歇性的影响。     

Transitional phenomenon of particle dispersion in gas-solid two-phase flows

Without using any turbulent model, direct numerical simulation of a three-dimensional gas-solid two-phase turbulent jet was performed by finite volume method. The effects on dispersion of particles with different Stokes numbers by the transitional behavior of turbulent structures were investigated. To produce high-resolution results and reduce the computation and storage, the fractional-step projection algorithm was used to solve the governing equations of gas phase fluid. The low-storage, three-order Runge-Kutta scheme was used for time integration. The governing equations of particles were solved in the Lagrangian framework. These numerical schemes were validated by the good agreement be-tween the statistical results of flow field and the related experimental data. In the study of particle dis-persion, it was found that the effects on particle dispersion by the spanwise vortex structures were prominent. The new behaviors of particle dispersion were also observed during the evolution of the flow field, i.e. the transitional phenomenon of particle dispersion occurs for the particles with small and intermediate Stokes numbers.     

Large Eddy Simulation of Particle-Laden Turbulent Flow over a Backward-Facing Step

Particle diffusion in large eddy structures with various Stokes number was analyzed numerically for the two-dimensional gas-particle turbulent flow over a backward-facing step. The continuous phase simulation was analyzed using the large eddy simulation (LES) method while the particle phase was analyzed by the Lagrangian method. The spatial and temporal results were used to analyze the evolution of the large eddy coherent structures and the vortex-particle interactions. The effect of the particle Stokes number on the instantaneous particle concentration distributions was also discussed. The simulations of the single-phase flow reproduced the character of the separation and reattachment flow and the essential features of the coherent structures. Numerous and complex vortex structures appeared at the high Reynolds number. Furthermore, the simulation shows that the Stokes number plays an important role in the particle dispersion and the instantaneous particle distribution. The continuous phase time-averaged results and the particle phase time-averaged results obtained from the LES analysis agree well with previous experimental data.     

PIV Experimental Investigation on the Flow in a Model of Closed Pump Sump

Vortices in the flow of a pump sump present an important problem in pump station operation. In the present study, the flow patterns in two model pump sumps with specially designed structures are analyzed using the particle image velocimetry (PIV) technique. The data is analyzed to reveal a number of parameters including the internal flow field with velocity distribution, the streamline distribution, and the turbulent kinetic energy. The analysis certifies that a modified pump with added T-type baffle below the sump exhibits good performance for realistic working conditions.     

入口扰动对圆湍射流流动大涡模拟预报的影响

运用大涡模拟方法分别对不加扰动和加扰动的圆湍射流流动进行了数值模拟,比较了两者在大尺度涡结构的演化过程以及时均速度和湍流强度等统计结果方面的预报差异,并与实验结果进行了对照。模拟结果表明,施加了入口扰动的模拟结果在物理真实性方面和统计结果的准确性方面均要明显优于未加扰动的模拟结果。分析了不加扰动和加扰动模拟的本质差异,指出准确预报实际圆湍射流流动应采用施加入口扰动的三维模拟。     

城垛形喷口圆湍射流拟序结构的流动显示

用流动显示的方法研究了城垛形喷口对圆湍射流拟序结构的影响。实验中喷口流动Reynolds数为5000,Strouhal数为0.50。实验结果表明:城垛形喷口能够影响圆湍射流中大涡结构的产生和演化,进而控制湍射流。无动态激励时,该喷口对射流中拟序结构的影响与垛口数目和垛口高度有关。有动态激励时,城垛形喷口和声波扰动一起,在促进大涡结构的产生和演化方面,总是相互加强的。因此,城垛形喷口是控制圆湍射流拟序结构的一个有效途径。     

Experimental Studies of Two-Phase Round Turbulent Jet Coherent Structures

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＪｅｔｆｌｏｗｉｓａｓｉｍｐｌｅｂｕｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｌｏｗｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｔｈａｔｈａｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ.Ｈｏｗｅｖｅｒ,ａｎｅｗｆｏｃｕｓｏｎｊｅｔｓｈａｓｏｃｃｕｒｒｅｄａｓｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ.Ａｂｏｕｔ50ｙｅａｒｓｈａｖｅｐａｓｓｅｄａｎｄｃｏｈｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｎｏｗｇｅｎｅｒａｌｌｙｕｎｄｅｒｓｔｏｏｄ.Ｙｕｌｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｌａｒｇ…