明渠湍流中的主要相干结构模式

利用自主开发的高帧频明渠湍流粒子图像测速(PIV)系统测量了3种Reynolds数下的恒定均匀流时间序列流场,运用本征正交分解能够给出数据集的最优模态的特性,分析了明渠湍流的主要相干结构模式及其能量关系。湍动能主要集中在少数几个低阶模态上,第1阶模态含有约30%以上的湍动能。Q2(Q4)事件是明渠湍流中除平均流动外含能最多、最主要的大尺度结构,湍动能主要通过Q2(Q4)事件向其他结构传递。它并不完全是发夹涡群诱导的结构,相反从能量的角度来看,发夹涡群的产生与维持与它有关键关系。Q2(Q4)事件可能存在大范围独立维持的大尺度机制。同时本征正交分解(POD)技术成功提取了发夹涡群结构,流向范围达到约3.4h,垂向尺度从交叠层一直到水面附近,整个结构与壁面呈约10°夹角。发夹涡群载有约23%的平均湍动能,并主要集中在处于对数区的中间部分。其他含能较少的大尺度结构有水面涡旋、单双涡结构、独立涡包等。     

西北太平洋及其邻近边缘海中尺度涡的时空特征分析

中尺度涡在影响海洋物质和能量的输送以及生物、化学过程方面都发挥重要作用.利用27年(1993—2019年)的AVISO卫星高度计数据集，基于闭合等值线法对西北太平洋及其邻近边缘海(10°～30°N, 115°～155°E)中尺度涡进行识别追踪，并着重讨论了生命周期大于4周的涡旋特征.涡旋在15°～25°N纬度带产生频率较高，多数涡旋向西传播，并在研究区域西侧与黑潮相互作用后消失于吕宋岛和台湾岛以东海域.随着纬度的增加，涡旋半径急剧减小，振幅则不断增大；而17°～22°N纬度带是涡动能高值区，在吕宋海峡东部最为明显.涡旋参数表现出明显的季节和年际变化特征，涡旋产生数在春、冬季较多，夏、秋季较少；涡动能则在春季较高，冬季较低.涡动能的年际变化明显受厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)调制作用，相位滞后1个月呈显著正相关.不稳定性分析结果表明，副热带逆流和北赤道流垂向剪切的斜压不稳定性是涡旋产生的主要机制，在春季这一效应达最大.     

河道交汇区涡旋结构研究

利用粒子图像测速技术(PIV)实现了基于涡量的剪切层和分离区位置的精确确定,同时对汇流区水平面内的涡旋结构进行系统观测和分析。研究发现:剪切层和分离区近水面和近底面水深平面的涡旋密度大,水深中部的涡旋密度小;支流流量增大的情况下涡旋密度均增大。槽底壁面湍流是近底面涡旋密度大的主要原因。剪切层由水流剪切产生的剪切涡以小旋转强度涡旋为主,分离区由水流分离产生的分离涡以中等及小旋转强度涡旋为主。     

婴幼儿骨性鼻泪管的影像解剖学测量

目的:应用螺旋CT三维重建技术观察正常婴幼儿鼻泪管的解剖学特征.方法:应用螺旋CT对27例(54侧)正常婴幼儿和15例(30侧)成人骨性鼻泪管三维重建,再测量骨性鼻泪管长度,鼻泪管长轴与正中矢状切面,水平切面,冠状切面投影的夹角等解剖学数据,同时用解剖学方法测量7例(14侧)儿童尸头骨性鼻泪管长度作对照,应用SPSS13.0软件进行统计学处理.结果:螺旋CT三维重建测量婴幼儿骨性鼻泪管长度为(10.06±0.29)mm,儿童尸头骨性鼻泪管长度为(9.95±0.31)mm,成人骨性鼻泪管长度为(11.51±1.54)mm,前两者之间的差异无统计学意义,而前两者与成人鼻泪管长度之间的差异有统计学意义.婴幼儿鼻泪管长轴与正中矢状切面投影的夹角为7.96°±1.62°,与水平切面投影的夹角为73.24°±6.75°,与冠状切面投影的夹角为12.31°±2.03°;成人鼻泪管长轴与正中矢状切面,水平切面,冠状切面投影的夹角分别为8.08°±0.63°,72.69°±3.85°,12.09°±1.21°,两者之间的差异无显著性.结论:螺旋CT三维重建技术是测量婴幼儿鼻泪管解剖学数据的一种有效方法,所得解剖学数据对婴幼儿泪道疾病的手术治疗有重要的指导作用.     

淹没条件下水射流涡旋特性大涡模拟及实验研究

采用大涡模拟方法对淹没条件下水射流的涡量场进行数值模拟,分析流场中涡旋的产生与扩散机制,并通过相同条件下粒子图像测速仪测量射流的涡量场,对模拟结果和方法进行验证。模拟研究泵压和围压对淹没射流涡旋特性的影响。结果表明:在射流流场中,由喷嘴出口产生一系列涡量集中的点涡旋,随着射流的前进涡旋逐渐扩散,卷吸周围介质并传递能量,卷吸范围逐渐扩大,而卷吸能力沿射流轴向呈指数衰减;随着泵压升高,整个流场中涡旋的涡量值明显增大,涡旋扩散长度直线上升;围压对涡量基本没有影响,围压的增加会使涡旋扩散区长度直线下降,减小卷吸作用范围。     

定常与脉冲涡旋射流下矩形扩压器流动分离控制研究

为了研究涡旋射流控制流动分离的物理机理,基于大涡模拟方法对涡旋射流控制下的矩形扩压器流场和射流流向涡结构的生成、发展等动力学演化过程进行了数值研究.结果表明:射流产生的流向涡将主流高动量气流带入分离区,增加了边界层内气流流动方向的动量,使流动分离得到了抑制.射流流场的涡结构主要由射流剪切层涡、马蹄涡、尾涡组成,由于速度梯度大小的变化,使得射流剪切层涡系的结构随着时间推移从涡卷演化为涡环.对于脉冲射流,在低频脉冲下,射流产生的流向涡呈涡卷结构,流动控制效果明显.在高频脉冲下,射流剪切层涡演变成间歇涡环结构,流动控制效果减弱.通过对比脉冲频率和占空比对流动控制的影响发现,占空比为0.5、频率为20Hz的脉冲射流具有较好的流动控制效果.     

越南东部海域一个气旋涡的特征分析

为探究越南东部海域中尺度涡的表层特征和垂向结构,基于卫星高度计资料,采用涡旋自动识别方法对该区域一个中尺度涡的演变和移动特征进行分析,同时结合走航调查资料对该涡旋的垂直结构进行了分析。结果表明:该涡旋总体向西北方向移动,其速度不具有一阶斜压罗斯贝波的传播特性;涡旋会造成其内部温度和盐度等值线的抬升,并引起涡内温盐异常,在25~75m深度分别存在温度负异常的"冷核"结构和盐度正异常的"高盐核"结构;与气候态相比,涡旋内部温跃层深度变浅,厚度变小,强度变大;涡旋对上混合层的影响很小,没有造成明显的温盐异常;基于实测流场与由温盐诊断的斜压流场的共同数据可知,涡旋内部流场呈明显气旋式环流,涡中心流速接近0,边缘附近流速最大。     

变工况下周向弯曲风扇叶顶涡声特性

采用计算流体力学数值方法研究变工况下周向弯曲低压轴流风扇的叶顶泄漏流动特性,结合涡声理论分析泄漏涡与声源的协同特性,分析叶片不同周向弯曲方向对协同性的影响,并通过近场机匣壁面动态压力测量和远场声学测量,验证叶片周向弯曲方向对近远场声学特性的控制规律.研究表明,泄漏涡声源是周向弯曲叶轮小流量工况下的重要声源,速度矢量与涡矢量的夹角值控制叶顶区域声源强度和分布.近远场实验结果表明,泄漏涡声源与远场声学关系密切.     

A柱涡动力学特性随前窗倾角变化研究

采用风洞试验和数值计算的方法,通过Dihedron模型研究了前窗倾角对A柱涡动力学演化的影响.时均阻力和表面压力通过风洞试验获得,采用分离涡模拟(DES)捕捉A柱涡拓扑结构的细节特征.通过风洞试验的结果验证了DES结果的有效性.DES的结果描述了A柱涡涡破裂现象.随着前窗倾角的变化,A柱涡表现为不同的结构形态,这主要是由主涡中涡量平衡决定的.试验和数值结果均表明,随前窗倾角增大,Dihedron模型的阻力增加.讨论了纵向涡的破裂趋势和潜在的减阻方案.最后,强调了模型壁面的动力学特性及其对车内噪声的影响.     

纵向涡强化通道内换热的数值研究及机理分析

用三维数值模拟方法研究了纵向涡发生器用于层流矩形通道的流动换热特征.研究了Re(为800~3 000)、涡发生器的冲角(分别为15°、30°、45°、60°、90°)、纵向涡发生器的形状对通道平均Nu和平均阻力系数的影响,并利用场协同原理进行了分析.结果发现:纵向涡发生器产生的二次流使全场速度和温度梯度之间的平均夹角减小,换热得到强化;纵向涡能改善包括涡发生器附近区域以及下游广阔区域的场协同性,而横向涡只可以改善涡发生器附近区域的场协同性,所以纵向涡可以强化整体换热,而横向涡只可以强化局部换热;对于光通道,协同角随Re增大而增大,但对于有纵向涡发生器的通道,协同角随着Re增大而减小.同时,在面积相同的条件下三角形小翼优于矩形小翼.     

旋转坐标系对流体涡旋运动的影响

系统讨论坐标系的旋转对流体涡旋运动的影响 ,分析这种影响在地球物理流体力学相对涡度、速度环量及位势涡度方程的各种形式中的表现 ,以及与流体力学对应的 Helmholtz方程的变形形式 ,通过分析 ,更清晰地揭示科氏力产生 (或制造 )涡度及其影响涡度变化的机理。     

绕水翼空化流场旋涡特性分析

为了深入了解绕水翼空化流动机理,利用数字式粒子图像测速(DPIV)系统,并辅以高速摄像机,对绕水翼流动进行了观测. 观测结果表明: 空化的发展对整个流场的涡量变化起决定作用. 无论在空化还是无空化流场中,涡量主要集中在自水翼前后缘开始的剪切层所在区域,并形成涡带,且上下涡旋向相反;随着空化数的降低,空化区域的流场混合得更为均匀,从而使涡量的峰值逐渐减小;上下涡带逐渐靠拢,并向后延伸、拉直,同时下涡带的起始位置向后推移.     

基于微型涡喷发动机的轴对称矢量喷管特性

以微型涡喷发动机为平台进行了收敛型轴对称矢量喷管的数值特性模拟和实验验证。以雷诺时均方程为控制方程,采用SSTk-ω模型研究了在微型涡喷发动机设计状态下轴对称矢量喷管不同几何偏转角下的俯仰推力矢量角特性、推力特性等,并基于该型微型涡喷发动机推力矢量特性实验对仿真模拟结果进行验证和补充。数值模拟和实验的结果表明,喷管出口几何偏转角在0°到20°之间,发动机推力损失较少,且俯仰推力、俯仰推力矢量角与几何偏角具有良好的线性关系。     

基于ADAMS的涡旋压缩机动涡盘倾覆仿真及刚柔耦合分析

针对涡旋压缩机动涡盘倾覆和运动副间隙影响问题,在对其结构特征和受力情况分析的基础上,借助Solidworks建立涡旋压缩机转子系统三维模型,利用ADAMS对模型进行运动仿真与刚柔耦合模拟仿真.结果表明:定间隙时最大倾角发生在主轴周期内转角313.2°~330.6°,间隙对倾覆下动涡盘的质心位移没有影响,但会加大动涡盘的振动;动涡盘柔性化对其质心位移没有影响,但周期内其质心点位移径向方向最大值为刚性条件下的3.17倍,加剧了动涡盘的倾覆,降低了使用寿命.     

超声速横侧射流混合特性的大涡模拟

采用大涡模拟方法研究了Gamba超声速燃烧室内的横侧射流流场中大尺度涡旋结构以及当地混合特性.超声速来流受到音速射流流体的阻碍,形成了复杂的激波和涡旋结构.由计算结果中的平均马赫数分布图可以清楚地看到激波结构,包括弧形激波、λ激波、桶状激波以及马赫盘;采用Q准则表征三维涡旋结构,可以看到稳态的反向旋转涡对(CVP)、尾迹反向旋转涡对(TCVP)、马蹄涡以及非稳态的射流剪切层涡等结构;此外,由平均流线图可以看到,TCVP结构与CVP结构的旋转方向相反,不对称的CVP结构导致燃料质量分数展向分布不均匀.引入概率密度函数方法分析当地混合特性,结果表明射流近场混合主要发生在射流出口上游回流区以及桶状激波下侧和射流剪切层下侧的射流尾迹区内;射流远场混合分数的概率密度分布从β分布逐渐过渡为高斯分布.研究射流浓度衰减特征,结果表明氢气质量分数沿射流浓度最大迹线呈指数-0.7衰减.     

形成新生断裂的临界角度及其与强烈地震发生的关系

选取具有薄弱面或破裂面的细粒花岗岩块状露头标本,在实验室模拟高温高压环境条件进行测试,研究岩石产生新破裂面的受力临界角度。在温度100℃、围压100 MPa和温度200℃、围压200 MPa的环境条件下,按照与主应力夹角的不同度数变化分别进行实验。实验结果表明,当夹角α处于0°~30°时,岩石沿原破裂面稳滑;夹角α处于30°~60°时,以粘滑为主;夹角α处于60°~90°时,以新破裂面的产生为主;可能产生新破裂面的临界角度范围为50°~65°,当夹角α大于65°时,新破裂产生。对岩石出现的稳滑-粘滑-新破裂现象,通过分析切面所受应力(σ)与应变率(ε)的关系进行了解释。根据莫尔圆理论认为,复杂断裂背景下,岩石的受力角度对于新破裂面的产生将有着决定性作用,而作用力状态一定时,新破裂产生的临界角度60°是可能导致强烈地震发生的危险值。     

自由旋流冷态流场中涡旋破碎泡的大涡模拟

采用大涡模拟方法(LES)模拟了悉尼旋流燃烧器的中等旋流数算例(N29S054和N29S045)的冷态流场,研究了涡旋破碎泡(下游二次回流区)的不稳定模式.LES结果得到的统计矩总体上与实验值符合得较好.研究发现:涡旋破碎泡没有螺旋形结构,其周围也没有出现螺旋形状的进动涡核,表明涡旋破碎泡没有典型的进动特征;瞬时速度分布显示了涡旋破碎泡存在着周期性的收缩/崩塌与膨胀的现象;功率谱的特征峰证实了涡旋破碎泡存在着周期性运动.     

纵向涡强化换热的数值研究及场协同原理分析

用三维数值模拟的方法研究了纵向涡发生器用于管-翅表面的流动换热特征.计算了Re(为800~2 000)、三角形小翼型涡发生器的冲角(分别为30°和45°)对管-翅表面平均Nu、压降的影响,并利用场协同原理进行了分析.结果发现纵向涡强化管-翅表面换热的内在机理可以用场协同原理进行解释,即纵向涡发生器使全场速度和温度梯度之间的平均夹角减小.另外计算还发现:三角形小翼对顺排换热器的强化换热效果好于对叉排换热器的强化;冲角为45°的三角形小翼强化换热效果好于冲角为30°的三角形小翼;冲角为45°的三角形小翼导致空气压降提高,而冲角为30°的三角形小翼则可使压降有所减小.无论传热管是叉排还是顺排,冲角为30°的三角形小翼比冲角为45°的三角形小翼在消耗单位泵功条件下带来的强化换热效果更大.     

双涡圈涡旋压缩机气体力分析

推导出双涡圈任意圈涡旋压缩机工作过程中任一涡齿形成封闭腔个数的计算式;通过各腔室在任一曲轴转角下轴向投影面积的求解,得出双涡圈涡旋压缩机各向气体力的计算式;通过同压缩比、排气量下双涡圈和2种单涡圈结构气体力的对比得出:双涡圈结构的轴向气体力和切向气体力的波动量小,约为自身均值的1.3%;在减小涡盘尺寸和回转半径方面存在优势,但会使某项气体力数值增大,大排气量场合应用时应给予关注.     

并排方柱绕流的大涡数值模拟及显示

采用大涡模拟的方法对雷诺数为7.5×105并排双方柱绕流流场进行了数值模拟,并对所采用的模拟方法进行了实验验证.利用有限体积法和SIMPLE算法计算程式,对双方柱三维物理模型求解不可压缩的N-S方程.计算得到了方柱绕流的速度场和涡量场以及不同时刻的速度分量分布情况.对方柱后速度场、涡旋形成、脱落以及波动性等问题进行了分析,结果符合物理学规律.