电磁消涡与减震技术研究

利用流体边界层上的电磁体积力控制流体边界层的周期性脱落与分离,限制尾流涡街的产生,从而实现消除涡流和减少涡生震动的目的.理论分析和实验研究表明,当圆柱表面包覆的电磁场作用参数N＞1,包覆磁场强度B≥0.5 T,流体边界层表面电流密度j为103 A/m2数量级时,对于一般情况下的流场参数而言,流体边界层上的电磁体积力具有十分良好的消涡与减震控制作用效果.优化圆柱体表面的电磁场包覆范围,可以提高电磁消涡减震控制效率.当流体边界层上的电磁体积力方向与流体边界层的流动方向相反时,电磁力又具有显著的增涡增震控制作用效果.     

展向电磁力对舵面的湍流减阻控制

将电磁激活板包覆于舵面体表面并置于流动的弱电介质溶液中(如海水),通过产生的电磁力对舵面体表面的流体边界层结构进行控制.基于近壁湍流的拟序结构理论,分析了在湍流状态下展向电磁力的方向、强度、脉动方式与作用频率对湍流减阻的控制作用效果.研究结果发现,一定强度和间歇频率的展向电磁力能够有效地减小湍流状态下的舵面体所受到的流体阻力,表明湍流边界层上的展向电磁力能够影响控制舵面的湍流流体动力学特性.     

电磁力控制翼型失速的研究

电磁场在导电的流体边界层上产生的电磁力能有效地改变边界层的结构,控制边界层的流动分离,消除涡流,可以增加翼型体升力,减少其阻力,实现对翼型失速的控制.本文基于电磁体积力控制流体边界层原理,将包覆有特制电磁激活板的翼型体置于弱电解质溶液中,利用基于TMS320F2812(DSP芯片)组建的翼型失速实验控制系统来灵活改变翼型的攻角和转速,显示流场的演化过程,测量升力和阻力的变化;实验结果表明,电磁力能够消除翼型的尾流涡街,正向电磁力能够有效地抑制和延缓翼型失速的发生.     

翼型绕流不同频率展向振荡电磁力减阻控制实验研究

研究结果表明展向振荡电磁力可控制湍流边界层,电磁力的振荡频率对湍流的控制效果有影响,但并未讨论电磁力振荡频率对控制效果的影响机理。实验研究了不同频率展向振荡电磁力控制翼型绕流的减阻效果及其影响机理。实验在转动的水槽中进行,在翼型的背风面包覆展向振荡电磁力激活板,并将其浸入水槽中,利用应变传感器测量翼型的阻力,基于意法半导体公司生产的微处理器开发电磁力控制器,用于控制电磁力的方向和振荡频率。研究结果表明展向振荡电磁力对翼型绕流具有减阻效果,对比分析了不同频率的展向振荡电磁力的减阻效果,发现电磁力的振荡频率为20 Hz时减阻效果较优,减阻效率可达到18%;展向振荡电磁力可减小翼型阻力的振动幅值,具有减震功能;当电磁力的振动频率与阻力曲线内小波动频率相近时,电磁力的减阻减震的效果最佳。     

电磁力控制圆柱体三维绕流场的脱体涡模拟

利用Maxwell方程组直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,采用脱体涡模拟(DES)方法,在雷诺数Re=3 900时,对电磁力作用下圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果表明,电磁力作用可提高圆柱体边界层内的流体动能,抑制流动分离的产生,减弱圆柱绕流场的三维特性,在电磁力作用参数达到某个临界值后,在圆柱体后方产生射流现象;同时,随着电磁力作用参数的增大,圆柱体压差阻力及其总阻力减小,但摩擦阻力增大,而且电磁力的作用还可以显著减小升力脉动幅值.     

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.     

D型体主被动结合流动控制研究

以简化准三维模型D型钝体为研究对象,通过数值仿真手段,利用零质量合成射流器理论进行了D型体主动流动控制和主被动结合的流体控制研究发现,在尾部分离点进行射流控制时,高频射流有助于钝体减阻,减阻效果可以达到1.78%。主被动结合的锯齿和射流加强了尾迹三维流动结构,破坏了准三维模型的展向流动结构,使得减阻效果较好。采用主被动结合控制的射流为低频和高频时减阻效果为20.86%和21.20%。     

考虑磁场影响的k-ε湍流模型推导及感度分析

针对电磁精炼及电磁连铸过程金属熔液流动现象,确定了磁场作用下导电流体湍流场中脉动电磁力的计算方法·结合Navier Stokes流体运动方程,推导了考虑磁场影响的k ε湍流模型·将修正后的k ε湍流模型应用到流动控制结晶器的流场计算中·结果表明,使用修正的k ε湍流模型计算的湍流动能分布区域缩小,平均流动动量略微变大·使用修正前与修正后的k ε湍流模型计算的速度分布差别较小,但更倾向于抑制湍流的产生·     

电磁流体表面推进流场结构特征的数值研究

数值研究了弱导电流体中,具有不同电磁极条带宽度的推进单元近壁电磁力的分布特征和对流场结构的调控效果,并比较分析了不同结构的推进单元体对周围流场推进效果间的差异.采用有限体积法对流场的基本控制方程(Navier-Stokes equation)进行求解.数值结果表明,不同电磁极宽度的推进单元所激发的电磁场场强和流体边界层中电磁力的分布具有类似的变化趋势,但电磁力的渗透深度有差异.电磁极条带较宽的推进单元,其附近电磁体积力具有较好的渗透效果,但其近壁场强较弱.推进单元绕流流场的数值模拟揭示了场强的渗透较深时对推进单元周围流场的影响更加显著.流向电磁力使得边界层流向动能增加,涡量场结构发生改变.推进单元上下表面涡量值出现了正负更替分布的变化特点.     

仿生射流表面流场控制减阻数值模拟

利用SST k-ω湍流模型对仿生矩形射流表面的减阻特性进行数值模拟,解释了射流表面减小摩擦阻力的原因及对近壁区边界层的控制行为.结果表明,射流孔面积相等时,射流孔与射流表面沿展向长度的比值越大,减阻效果越好.当其它因素不变时,随着射流速度的增大减阻率逐渐增大,随着射流流量的增大减阻率逐渐增大,最大减阻率为35.97%.射流表面对边界层的控制行为表现为主流场近壁区的剪切流动遇到射流的阻抗,在射流孔的背流面形成逆流区,逆流在边界层底层产生的剪应力与主流场方向相反;同时在射流孔下游产生反向旋转涡对并在近壁面诱导出二次涡,相当于在高速流体与壁面之间产生润滑带,使边界层黏性底层厚度增大,速度梯度减小,摩擦阻力减小.     

幂律流体绕流楔形物体时的层流边界层

从流体力学和非牛顿流体力学的基本方程出发，在未作任何假设的情况下，通过引入合理的相似变量，得出了幂律流体绕流楔形物体时的层流边界层常微分方程及其数值解，该常微分方程及其解在塑性指数ｎ＝１时，与经典流体力学中的方程及解完全相同。     

Open-loop and optimal control of cylinder wake via electromagnetic fields

The experimental and numerical investigations on electromagnetic control of cylinder wake have been performed in this paper. Experiments were conducted in a rotating annular tank filled with a low-conducting electrolyte. A cylinder with an electromagnetic actuator mounted on the surface was placed into the electrolyte. Force measurements have been carried out by strain gages attached to a fixed beam to which the hydrofoil is suspended and flow fields are visualized by dye markers. Based on the Navier-Stokes equations considering the electromagnetic body force, i.e. Lorentz force, in the exponential-polar coordinates, the numerical investigations were carried out by means of an Alternative-Direction Implicit algorithm and a Fast Fourier Transform algorithm. Experimental results have shown the same tendency with the numerical results. For the constant Lorentz forces, called open-loop control, the vortex shedding was fully suppressed. Meanwhile, the weak street disappeared and the drag force was reduced. Based on the Navier-Stokes equations, an adjoint-based ensemble optimization of control algorithms was developed and adjoint equations in the exponential-polar coordinates were derived. The equations were solved by numerical algorithm as mentioned above. The evolutions of the flow field in the control process were discussed according to the calculated variable optimal interaction parameters.     

固定锥形阀特性参数及流动特征的仿真分析

固定锥形阀应具备良好的水力特性以满足管线系统中不同工况的调流和消能要求,以DN1200锥形阀为研究对象,利用计算流体力学(computional fluid dynamics,CFD)方法分析不同开度下的稳态工况及开、关阀过程的瞬态工况,通过对比流量系数、流阻系数、排放系数、汽蚀系数、消能率等阀门特性参数及套筒闸的动静态不平衡力和阀内流场分布等,全面分析了固定锥形的水力特性。结果表明,流量系数和排放系数具有较好的线性特性,其过流能力随开度增大而线性增加。流阻系数和消能率曲线的变化趋势相同,小开度时对水流的流动阻碍和能量损耗作用明显,开度增大后流阻系数和消能率迅速减小。汽蚀系数表征实际工况中的汽蚀可能程度,在设计流量工况下,各开度对应的汽蚀系数呈抛物线变化趋势。另外,由于流动和启闭同在轴向,故套筒闸主要受到轴向的不平衡力;稳态不平衡力与水流方向相同,而开关阀过程的瞬态不平衡力均与水流方向相反,且关阀力略大于开阀力。最后,分别以各开度下的压力、流速、湍动能和湍流耗散率等流场分布对固定锥形阀的流动规律进行说明。     

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.     

不同熔化速率下的电渣重熔过程数值模拟分析

电渣重熔能提高钢锭的质量,从而满足特种行业的需要,其过程伴随着复杂的物理现象,存在着磁流体流动、传热和传质以及电化学等多方面的影响。通过耦合电磁以及流动和温度方程对电渣重熔过程的三维瞬态进行了数学模拟,研究了熔化速率对重熔过程的影响。结果表明:电流密度、焦耳热和电磁力都随着熔化速率的增大而增大,当熔化速率由14.4kg/h增加到27.0kg/h,电流密度、焦耳热和电磁力最大值的增大比例超过100%。随着熔化速率的增大,温度最大值有小幅的增加,而且速度最大值的增大幅度接近50%;金属熔池深度则由27mm增大到38mm,不利于保证铸坯的质量。     

水平弯管内水合物浆的流动特性

 为了掌握水平弯管内水合物浆的流动特性,采用基于颗粒动力学理论的欧拉双流体模型进行建模研究,其中RNG k-ε 模型用于模拟湍流运动,液固两相间的曳力体现相间耦合作用。结果表明,弯头处出现了明显的二次流现象,且速度最大值分布在偏向内侧横截面上;颗粒增大了管内水合物浆湍动能,并使弯曲段的浆液湍动能分布更均匀,弯管和水合物的存在对压能损失产生影响。在相同的水合物体积分数下,浆液压力梯度随平均流速的增加而增大;在相同的流速下,浆液压力梯度随水合物体积分数的增加出现了缓慢增长区、过渡区和快速增长区。为了对堵塞风险进行有效预警,除了考虑平均流速等因素,还需要从水合物生长过程中微观特性变化的角度对压降分区和流变多样性进行探索。     

竖壁对流换热系数计算模型的探讨

根据流体边界层理论,研究了高普朗特数常物性不可压缩流体在重力作用下,沿竖直壁面无初速度加速流动过程中速度边界层和热边界层的形成规律,给出了速度边界层和热边界层的厚度函数·据此,研究了该模型下对流换热系数的计算方法,推导出计算公式·在短距离流动中,该模型的速度边界层和热边界层较流体外掠水平板模型厚,换热较弱,因此对流系数较小·工程实际中的许多换热问题都可以简化成流体在重力作用下沿竖直平板流动模型·把该模型下得到的对流系数公式应用于飞机附件机匣的传热计算中,得到了比较精确的结果·     

流体边界层对低渗透油藏渗流特征的影响

 低渗透油藏孔喉细小、孔隙结构复杂,固液界面相互作用力很大,在靠近孔喉壁面处存在一层流体边界层,阻碍流体在孔喉中的流动。为研究流体边界层对低渗透油藏流体渗流特征的影响,以去离子水在半径分别为10.0,7.5和5.0μm的微圆管中流动的实验数据为基础,通过数据拟合分析,确定了流体流动速度、边界层厚度与压力梯度之间的关系。结果表明,由于流体边界层的存在,低压条件下,去离子水在不同半径微圆管中的流动偏离经典的达西流动规律,表现出非线性特征,且存在启动压力梯度;随着管径的降低,流动偏离达西渗流规律的程度增大,非线性越发明显;随压力梯度增加,流体边界层厚度呈指数规律递减,压力增大到一定程度后,趋于定值。运用不等径毛管束模型,给出低渗透油藏单相流体渗流公式。