管中紊流新探索

本文对管中紊流作了新的探索,求得的脉动切应力分布、流速分布、流量和断面平均流速、沿速程阻力系数的通用公式都能符合公认的试验资料,既揭示了紊流断面上的分层结构,又区别了紊流水力光滑区,过渡区和水力粗糙区的性质,还能计算断面上的能流过程.作者的假设吸取了Prandtl L. 混合长度假设中的合理内容,并作了进一步的改进和发展.     

恒定均匀紊流脉动切应力的假设及应用举例

采用作者对脉动切应力的假设可将恒定均匀紊流基本方程转化为Poisson方程,于是对园管、椭园管、等边三角形管、矩形管和矩形断面明渠及直角三角形断面明槽中的恒定均匀紊流可以求得精确解,其它断面形状可得数值解,作者假设中的参数k、m可用实验方法确定.     

井巷污染物横向紊流扩散系数的研究

假设井巷紊流传质中质量传递和动量传递相似,借助紊流传递理论,考虑问题的物理意义,导出了井巷污染物横向紊流扩散系数K_y及其断面平均值K_y其中α、α,和R_e分别是井巷半径,摩擦阻力系数、断面平均风速和Reynolds数,r是横向尺寸,实验室风峒试验结果和理论值相当吻合,试验满足Reynolds相似。     

恒定渐变流能量方程实验分析

为了加深学生对水力学中能量方程的理解,针对恒定渐变流能量方程中总水头线和测压管水头线变化规律、均匀流过水断面和急变流过水断面动水压强分布规律、紊流状态下管道断面平均流速和断面中心点流速规律,进行了设点实测和数据分析,提高了教学实效。     

考虑非均匀流场的管道声学理论及消声器研究

研究了考虑非均匀流场的刚性直管声场传递矩阵,通过将刚性直管沿轴向等分成N个微段,并假定每个微段内温度、气流马赫数和声速保持恒定的情况下,利用各微段间声压和体积速度的连续性条件.推导了刚性直管声场传递矩阵和扩张式消声器的插入损失数学模型,并进行了理论计算与声学特性分析.     

下渗对坡面流流态及动力学参数的影响

为了从理论上分析下渗对坡面流动力学参数的影响,基于Navier-Stokes方程,将坡面流视为平面恒定非均匀流,考虑下渗影响,推导出缓坡、陡坡坡面流断面速度分布,探讨了下渗对坡面流雷诺数、沿程阻力系数、滚波波幅的影响,基于相关试验资料对理论分析结果进行了验证.结果表明,缓坡条件下,坡面流流态为层流或紊流,试验过程中有必要区分初渗、稳渗阶段判别流态.陡坡条件下,不同下渗率及水深的坡面流均为紊流.坡面流黏性影响厚度接近水深或大于水深,不会产生类似明渠水流的外流势流区域.同时考虑下渗和表面张力作用,沿程阻力系数与雷诺数成反比.滚波波幅受水深、下渗率、水流运动黏度、坡降的影响.该研究结论为坡面水流运动特性试验研究及理论分析奠定了一定基础.     

淹没水跃的数值模型

在许多含有回流的复杂紊流剪切流中,回流区域内的平均流速分布与紊流脉动强度分布具有某种共同特性.根据这一性质,作者提出回流副层概念.同时,作者还把淹没水跃视为在逆压梯度下含有表面旋滚的附壁紊射流,利用回流副层概念,建立了一个淹没水跃的模型,提出其相似的断面流速分布式;并用流带积分进行数值计算,从而得到速度、长度比尺的沿程变化.数值计算结果与实验结果进行了比较,符合较好.     

梯形断面明槽中恒定均匀流的流速分布

采用Ａ．Ｒｉｔｚ方法和Ｆｏｕｒｉｅｒ级数求得梯形断面明槽中恒定均匀层流流速分布的精确解,又根据笔者建议的关于脉动粘性系数ＶＴ的假设,给出了相应的紊流流速分布的公式。     

考虑非均匀流场的管道声学理论及消声器研究

研究了考虑非均匀流场的刚性直管声场传递矩阵，通过将刚性直管沿轴向等分成Ｎ个微段，并假定每个微段内温度，气流马赫数和声速保持恒定的情况下，利用各微段间声压和体积速度的连续性条件，推导了刚性直管声场传递矩阵和扩张式消声器的插入损失数学模型，并进行了理论计算与声学特性分析。     

恒定均匀紊流探讨

通过圆管与明槽中恒定均匀紊流的分析,对紊流脉动切应力?中的ε提出了一个新假设:?.並且据此得到了圆管与明槽中恒定均匀紊流水为光滑区的流速分布公式.它概括了流速亏值定律与壁面定律,精度较高,毋须分区,计算较简单;由此得到的脉动切应力分布比起Prandtl和kármán的脉动切应力假设更符合实际;根据这个假设还得到圆管中阻力系数λ的计算公式,公式计算值与1913-1953这40年间共20个紊流水力光滑区的λ经验公武的计算值比较吻合.通过分析,作者认为轴对称问题和平面问题的沿程阻力系数并不完全一致.     

组合桨液相搅拌槽内流动特性的实验研究及数值模拟

采用粒子图像测速技术 (PIV),对直径为0.19 m的三层组合桨 (HEDT+2WH) 搅拌槽 (直径为0.48 m) 内的流场进行了实验研究,并利用标准 k-ε 模型对相应的流动特性进行了数值模拟。实验结果表明：通过改变层间距、顶层桨的浸没深度及上两层桨的操作方式可以得到4种不同流型,每种流型内循环结构的数目各不相同;上两层桨下压式操作时,流场的循环结构最少,只有两个;高速区和高能量区的分布相同,都位于各个桨叶的射流区内,且底桨射流区内的速度值和湍流动能值都大于上两层桨。模拟结果表明：标准 k-ε 模型对流场的预测较为准确,但对于有5个循环结构的流型模拟误差较大;湍流动能分布型式的模拟值与PIV实验结果吻合较好,但数值偏低,表明标准 k-ε 模型在预测复杂流型时需要改进;功率准数的模拟值与实验值基本一致。     

泄洪隧洞急流弯道水力特性

由于泄洪隧洞明流弯道流速大、弗劳德数高、流态复杂,因此极少在工程中应用,相关水力特性研究也较少。本文采用物理模型试验方法,对城门型泄洪洞急流弯道及其下游水流进行了观测。试验结果表明：弯道内水流具有轴向前行与由凸岸流向凹岸的横向运动,由此产生凸岸水面逐渐降低、凹岸水面逐渐爬高的发展趋势;凹岸水流超过隧洞直墙的部分紧贴洞顶继续沿轴向前行,同时其横向运动方向演变为由凹岸指向凸岸;洞顶贴壁水流跃过洞顶最高点后,沿着凸岸直墙下滑,形成瀑布;水流在弯道内呈现出环状状态,在下游平直隧洞内逐渐演变为表面起伏波动的水流。根据试验结果,建立了凹岸水流冲击拱顶初始位置及第一波峰冲击拱顶范围的预测经验公式,为泄洪隧洞弯道段设计提供参考。     

搅拌槽内流动结构的粒子图像测速技术研究

使用粒子图像测速技术（PIV）对Rushton桨在全挡板搅拌槽内的流场结构进行了研究。在同一搅拌槽中采用固定雷诺数的放大准则,对比了不同直径的Rushton桨的速度和湍流动能分布。结果表明,Rushton桨叶产生的径向射流沿径向方向是向上方倾斜的,倾斜角度在5°～6°;在排出区,湍流动能沿径向先增加至一峰值后减小;不同桨叶直径的Rushton桨,无因次化后的速度和湍流动能的大小分布在桨叶附近几乎没有差别,但随着桨叶直径的增大,剪切速率和输入功率减小,射流偏角和排出量增大。     

宾汉流体与颗粒间的密相两相湍流研究

参照密相液固两相湍流方程，并考虑到宾汉流体的本构关系，建立了描述汉流体与颗粒间的两相湍流流动的控制方程，编制了计算程序，为数值计算奠定了理论基础，采用IPSAR（Inter Phase Slip Algorithm Revised）算法，对直圆管内的宾汉流体与颗粒间的两相湍流流动进行了数值计算研究。结果表明：在直圆管中，颗粒相的速度分布比较均匀，且其在壁面处高于宾汉流体，随着屈服应力的增加，两相主流速度均减小，同时宾汉流体动能有减小的趋势，而颗粒相体和浓度则呈现出增加的趋势，因此宾汉流体的了应力及对其湍流流动有重要的影响。     

絮凝搅拌器内部流场特性数值模拟

在气液交界面形态对比和LDV试验验证基础上,基于CFX 侵入式实体模型,应用标准k-ε湍流模型对容积为1 L的絮凝搅拌器内部流场特性进行了数值研究.结果表明:下循环区的流体运动速度和速度梯度较大;搅拌强度增加,速度梯度增大;转速对叶轮附近切向速度梯度影响最大,该区域切向速度梯度值与其他区域最大相差两个数量级;下循环区湍流耗散率、湍流动能和涡流黏度较高;在研究转速范围内,转子转速对湍流动能影响相对较大,对涡流黏度影响相对较小.     

Finite lifetime of turbulence in shear flows

Generally, the motion of fluids is smooth and laminar at low speeds but becomes highly disordered and turbulent as the velocity increases. The transition from laminar to turbulent flow can involve a sequence of instabilities in which the system realizes progressively more complicated states, or it can occur suddenly. Once the transition has taken place, it is generally assumed that, under steady conditions, the turbulent state will persist indefinitely. The flow of a fluid down a straight pipe provides a ubiquitous example of a shear flow undergoing a sudden transition from laminar to turbulent motion. Extensive calculations and experimental studies have shown that, at relatively low flow rates, turbulence in pipes is transient, and is characterized by an exponential distribution of lifetimes. They also suggest that for Reynolds numbers exceeding a critical value the lifetime diverges (that is, becomes infinitely large), marking a change from transient to persistent turbulence. Here we present experimental data and numerical calculations covering more than two decades of lifetimes, showing that the lifetime does not in fact diverge but rather increases exponentially with the Reynolds number. This implies that turbulence in pipes is only a transient event (contrary to the commonly accepted view), and that the turbulent and laminar states remain dynamically connected, suggesting avenues for turbulence control.     

黄河沙坡头连续弯道水流运动三维数值模拟

用可实现k-ε数学模型对黄河沙坡头建立水利枢纽后库区连续弯道的水流运动进行了三维数值模拟.得到了不同断面处垂线平均流速分布、断面流速分布、主流流速和二次流的数值模拟结果,对部分断面弯道环流及水面处离心环流进行了模拟和分析.数值模拟结果与实测结果吻合较好,表明该模型可以用于对具有连续弯道的天然河道河流数值模拟中.     

相接双星能量转移过程研究

从流体力学方程出发,分析和讨论了相接双星公共包层内湍流和环流对能量转移的作用,并给出了能量转移的表达式。计算结果表明:处于相接阶段的双星系统,公共包层底部环流速度较大,可达～9×103cm/s,而湍流的速度在外部较大,可达～2.4×105cm/s。环流与湍流均是小质量相接双星能量转移两个不可或缺的重要因素。在t=1.454 8×109a,环流携带能量为ΔLcirc=0.14 L⊙,t=1.454 8×109a湍流携带能量为ΔLturb=0.72 L⊙。     

射孔完井水平井筒变质量湍流压降规律研究

运用拟三维原理 ,提出了用于计算地层刚性渗流、弹性不稳定渗流与水平井筒内变质量湍流耦合的新方法 ,解决了在井筒变质量流体流动模拟过程中井筒边界条件难以确定、地层线性渗流与井筒内非线性湍流难以耦合的问题。同时 ,对不同射孔方式和生产制度下流体水动力学进行了分析 ,研究了射孔入流与水平井筒内流体的相互作用关系及变质量主流体的流动特性。模拟结果表明 ,与圆管湍流相比 ,井筒内变质量流具有更大的压降系数 ,且主流中心速度降低 ,速度剖面呈现内凹形式 ,水平井射孔设计应该利用井筒内流体与渗流的耦合模拟进行优化。     

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。