三角形沟槽面圆管湍流减阻的大涡模拟数值研究

湍流减阻对水上船舶、潜艇、飞机以及长输油管道等运输工具的节能减排具有重要意义。利用大涡模拟(LES)对光滑圆管和三角形沟槽面圆管的流场进行数值研究,验证了LES在非光滑表面圆管湍流减阻研究的可行性,为其他形式的沟槽面圆管的减阻研究提供依据。同时对光滑及沟槽面圆管流场进行分析,并探讨了三角形沟槽的减阻机理。     

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.     

仿生二级微沟槽表面减阻特性数值模拟

快速游动的鲨鱼,其皮肤表面布满沿流动方向的沟槽,这种沟槽能够减小鲨鱼游动过程中的阻力。通过仿生技术人们设计了一系列具有单一尺度的沟槽结构,如V型、L型、U型等(定义为原始沟槽),并获得了一定的减阻效果。然而通过仔细观察,发现鲨鱼皮肤表面的沟槽并非是单一尺度的。根据这一启发,通过在原始V型沟槽顶部两侧增加小尺度三角形突起,设计了一种二级沟槽表面。利用RNGk-ε湍流模型,对原始V型沟槽和二级沟槽表面进行了流场分析。讨论了在不同雷诺数的情况下,两种沟槽壁面对湍流边界层内速度分布、沟槽壁面切应力及减阻效果的影响。计算结果表明,在一定雷诺数范围,原始V型沟槽最佳减阻4.6%,二级沟槽结构最佳减阻8.07%,二级沟槽减阻效果明显优于原始V型沟槽。二级沟槽表面能够更有效地抑制边界层内湍流流动,减小了流体流动的黏性阻力,具有更好的减阻效果。     

减阻沟槽表面近壁湍流相干运动的实验研究

以光滑平板及间隔V型减阻沟槽面为研究对象，利用二维激光多普勒测速系统(laser doppler velocimetry, LDV)，获得零压力梯度时光滑平板及沟槽板上部区域湍流边界层流场的流向和壁法向的湍流脉动分量.考察了沟槽对速度脉动的二阶及三阶相关统计参数的影响，并将这些相关量的变化情况与边界层中的相干运动相结合，由此来探讨沟槽面与湍流边界层之间的相互作用规律.     

仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述

介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物,阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律,针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述,提出了沟槽扩展类型,并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。分析表明:微结构类型对减阻效果有较大影响,减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点,仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率,在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。     

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.     

表面活性剂与纵向微沟槽协同减阻实验研究

根据表面活性剂溶液发生减阻时可放大近壁湍流涡尺度的特性,以及纵向微沟槽通过约束近壁流向涡运动实现减阻的机理,指出了两者在减阻机理上存在互补的可能性,并对两者的协同减阻性能进行实验研究验证,分析两者的协同强化减阻机理。通过研究0.22 mmol/L表面活性剂CTAC/NaSal溶液在两种不同尺寸的纵向壁面微沟槽通道内的变温度协同减阻性能,发现20℃时溶液能在纵向微沟槽的作用下强化减阻性能,最大减阻率从光滑通道的66%分别增大到G1沟槽的71%和G2沟槽的74%;减阻溶液的临界雷诺数及临界温度在G1沟槽通道内比在G2通道内小,但在G2沟槽通道内则与光滑通道的基本相同;微沟槽的减阻尺寸在减阻溶液中得到了放大;表面活性剂与纵向微沟槽的协同强化减阻机理在于表面活性剂放大了近壁湍流涡尺度,使微沟槽能约束住更多的近壁流向涡,同时也使微沟槽能在更高雷诺数下仍有减阻强化性能。     

减阻杆对旋风分离器流场特性的影响

为了解减阻杆对旋风分离器流场特性的影响,利用激光多普勒测速仪(LDV)对安装减阻杆前后的旋风分离器流场进行测量,得到了时均速度、均方根速度、雷诺应力等参数分布。结果表明减阻杆对时均流场的影响与现有结论基本一致,对湍流特性的影响则与减阻杆截面尺寸有关。在所采用的尺寸范围内,小尺寸减阻杆使流场大部分区域的湍流脉动降低,大尺寸减阻杆则使流场大部分区域的湍流脉动增强。最后对减阻杆影响湍流脉动的机理进行了初步分析。     

微气泡降阻研究进展

该文介绍了微气泡降阻机理、研究方法和重要结论,理论分析提出微气泡降阻机理在于其引起湍流边界层结构的变化;实验证明了微气泡对湍流边界层的降阻作用以及气泡尺度、主流速度等对降阻作用的影响;数值方法利用适当的流场模型、湍流模型和差分格式,模拟边界层和气泡数等对降阻的影响,这些研究得到了较为了一致的结论,为未来微气泡降阻的工程应用研究奠定基础。     

壁面局部扰动激发湍流边界层近壁区相干结构的一种理论模式探讨

在壁面局部扰动作用下,应用直接数值模拟的方法,研究探讨了湍流边界层近壁区相干结构形成的一种理论模式．数值结果表明,固壁表面某个局部位置存在的某种局部扰动能激发出湍流边界层近壁区的相干结构,其形成机理的许多方面与直接数值模拟和实验结果相符,且演化规律和特性与壁面局部扰动的强度、结构分布及加入到近壁区域内的局部扰动的能量多少等因素密切相关,这些关键性参数在湍流边界层近壁区相干结构成因的过程中起着重要的作用．因此,壁面局部扰动不仅给出了激发湍流边界层近壁区相干结构形成机制的一种理论方法,而且也完善了湍流边界层相干结构产生的物理模型．     

基于非稳态模拟的SAE车模气动减阻降噪研究

以20°后背倾角阶梯背式SAE（Society of Automotive Engineers）模型为参考模型，基于改进延迟分离涡模拟（Improved Detached Eddy Simulation， IDDES）湍流模型，研究了分别在车模后倾斜面顶部和尾部添加涡发生器 （Vortex Generators， VGS）和沟槽（Riblets， RTS）时的非稳态流场结构，分析了两种被动减阻装置的减阻机制.同时通过提取流场声源信息，利用计算气动声学方法（Computational Aeroacoustics， CAA）和Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）方程对汽车噪声进行分析，研究了两种附加装置的声学特性.结果表明，两种附加装置减小了尾部涡结构强度，降低了气动阻力，同时降低了脉动压力，不仅实现了减阻还具有降噪的效果.减阻率分别为2.41%、2.76%，总声压级最大降低值分别为9.55 dB、5.46 dB.     

边界层湍流拟序结构与传热研究进展

本文综述了边界层湍流拟序结构的实验、数值和理论研究，给出了拟序结构研究主要结果，并指出了拟序结构研究中存在的未解决的一些问题及可进一步研究的方向．同时对拟序结构的传热机理研究也进行了总结．     

利用PIV技术对平板湍流边界层的实验研究

利用在线式ＰＩＶ系统，在低速风洞中对零压力梯度的光滑平板湍流边界层进行了实验研究。观察到了湍流边界层外层拟序结构的一些典型流动结构；横向大涡，海湍流边界层外缘的凸块和涡破碎等，并给出了这些结构所对应的瞬时涡量场和剪切应变变化率，同时还观察到湍流边界层外层的大尺度横向我表现为拱形结构。     

湍流相结构对边界层中标量扩散的影响

在大气边界层风沿和玻璃水槽中进行湍流边界层流动中的标量扩散模拟试验和机理研究。通过流动显示、湍流测量和频谱分析，已表明湍流边界层中的间歇现象在标量扩散过程中起着重要作用。烟雾在大气中的扩散、悬浮污染物质在河流中的扩散都属于湍流边界层中的标量扩散问题。在近源区，标量扩散主要受到各向异性湍流相干结构的影响，结果往往在近源区会出现局部的较高浓度的污染物质。采用流动显示和频谱分析相结合的研究方法，得到了在     

亚音速飞行器壁面沟槽减阻研究与应用

固/气界面间强烈的剪切作用是亚音速飞行器壁面摩擦阻力产生的主要原因。该文基于k-ε湍流模型及动态网格划分技术,研究沟槽内微漩涡流动特性、沟槽结构对表面受力影响及沟槽内局部压力场及压差阻力的产生原因;以壁面阻力系数为计算目标,对沟槽形貌构型优化,获取亚音速飞行时具有最佳减阻效果的壁面沟槽形貌构型参数。在中国航天某研究院FD06风洞进行试验,试验结果表明:亚音速飞行器壁面沟槽结构可显著降低壁面阻力系数。Ma=0.4时,壁面摩擦阻力由1.7N降低为0.908N,减阻率为45.57%;Ma=0.8时,减阻率为13.5%;Ma=0.9时,减阻率为18.4%。     

湍流相干结构对边界层中标量扩散的影响

在大气边界层风洞和玻璃水槽中进行湍流边界层流动中的标量扩散模拟试验和机理研究．通过流动显示、湍流测量和频谱分析，已表明湍流边界层中的间歇现象在标量扩散过程中起着重要作用．烟雾在大气中的扩散、悬浮污染物质在河流中的扩散都属于湍流边界层中的标量扩散问题．在近源区，标量扩散主要受到各向异性湍流相干结构的影响，结果往往在近源区会出现局部的较高浓度的污染物质．采用流动显示和频谱分析相结合的研究方法，得到了在某些流动条件下的湍流相干结构时间和空间尺度近似值     

射流表面多因素耦合减阻特性及其对边界层的控制行为

为了研究多因素耦合对射流表面减阻特性的影响,运用可拓学基本原理建立主流场速度、射流速度、射流孔高排布、射流孔底排布等特征耦元及其耦合方式的可拓模型,利用标准k-ε湍流模型对射流表面多因素耦合条件下的减阻特性进行数值模拟,分析射流表面黏性阻力和减阻率减小的原因,以及射流表面多因素耦合对射流孔附近壁面流域边界层的控制行为.结果表明:射流表面多因素耦合的减阻效果较好,最大减阻率为27.69%;多因素耦合条件下的射流表面改变了壁面剪应力分布,影响了边界层的结构,同时,在射流孔下游形成的漩涡改变了边界层的厚度,导致壁面黏性阻力降低,从而使得射流表面具有较好的减阻效果.     

与气动噪声相关的湍流模型及计算方法

针对气动噪声计算问题,经过两年的研究,主要进展如下:(1)研究了高精度湍流模拟技术的数值方法。首先发展了一套基于高阶有限差分格式的流场求解器,并进行了系统测评;在此基础上,针对激波模拟精度,提出了带宽耗散优化方法(BDOM),发展了MP-LD格式,结果表明MP-LD格式对小尺度流动结构的捕捉能力以及对湍流的模拟效率要显著优于常规的高阶激波捕捉格式。(2)采用高精度湍流模拟技术研究了复杂流动机理。利用MP-LD格式和ASTR程序,对激波/各向同性湍流干涉(SITI)和激波/湍流边界层干涉(SBLI)等进行了DNS和机理性的研究。结果表明:湍流脉动之间的非线性作用使得大尺度湍流结构向各向同性恢复的过程更加复,而小尺度脉动结构则更容易恢复各向同性;由于来流速度脉动的影响,激波表面形状会发生变形,较高的来流速度脉动会导致当地激波位置更靠近下游,并增加激波的强度。(3)研究了压气机三维角区分离流动机理和湍流模型改进。针对角区分离流动,首先开展了先进实验测量和高精度数值模拟,为机理研究和湍流模型改进提供丰富的数据库。其次,提出了基于湍流非平衡输运特性改进湍流模型的新方法,并针对SA湍流模型,提出了两种改进方法:一是修正模型系数Cb1;二是基于当地螺旋度计入湍流能量反传物理机制。其中,基于螺旋度改进可以"自适应"计入湍流非平衡输运特性,可以"自适应"实现对不同工况下压气机三维角区分离流动的准确模拟。(4)研究了压气机转静干涉机理和时均模拟方法。针对转静干涉噪声,团队提出了时均模拟技术和线性谐波法相结合的快速非定常数值模拟思路。该课题首先采用非定常数值模拟技术,研究了转静干涉机理。其次改进了交界面处理方法,深入分析了确定性相关项的分布特点和对时均流场的影响特性,发展了确定性相关项模型,发展完善了时均模拟技术,为下一步和线性谐波法相结合,实现对转静干涉噪声源的快速非定常计算,提供坚实的基础。(5)建立了气动声学知识库系统和噪声机理知识。首先建立了国际上首套气动声学知识库系统;其次对大攻角超音速流动,发现了机翼上表面存在一种激波/滑移面共存结构,发现了一种新的气动噪声来源;最后针对气动声学重要来源之一的点涡与物体的相互作用,建立了一套点涡群对多物体受力影响的基本理论。     

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...     

复杂流动机理及预测方法研究

针对气动噪声计算问题,经过2年的研究,主要进展如下:(1)研究了高精度湍流模拟技术的数值方法。首先发展了一套基于高阶有限差分格式的流场求解器,并进行了系统测评;在此基础上,针对激波模拟精度,提出了带宽耗散优化方法(BDOM),发展了MP-LD格式,结果表明MP-LD格式对小尺度流动结构的捕捉能力以及对湍流的模拟效率要显著优于常规的高阶激波捕捉格式。(2)采用高精度湍流模拟技术研究了复杂流动机理。利用MP-LD格式和ASTR程序,对激波/各向同性湍流干涉(SITI)和激波/湍流边界层干涉(SBLI)等进行了DNS和机理性的研究。结果表明:湍流脉动之间的非线性作用使得大尺度湍流结构向各向同性恢复的过程更加复,而小尺度脉动结构则更容易恢复各向同性;由于来流速度脉动的影响,激波表面形状会发生变形,较高的来流速度脉动会导致当地激波位置更靠近下游,并增加激波的强度。(3)研究了压气机三维角区分离流动机理和湍流模型改进。针对角区分离流动,首先开展了先进实验测量和高精度数值模拟,为机理研究和湍流模型改进提供丰富的数据库。其次,提出了基于湍流非平衡输运特性改进湍流模型的新方法,并针对SA湍流模型,提出了两种改进方法:一是修正模型系数Cb1;二是基于当地螺旋度计入湍流能量反传物理机制。其中,基于螺旋度改进可以"自适应"计入湍流非平衡输运特性,可以"自适应"实现对不同工况下压气机三维角区分离流动的准确模拟。(4)研究了压气机转静干涉机理和时均模拟方法。针对转静干涉噪声,团队提出了时均模拟技术和线性谐波法相结合的快速非定常数值模拟思路。该课题首先采用非定常数值模拟技术,研究了转静干涉机理;其次改进了交界面处理方法,深入分析了确定性相关项的分布特点和对时均流场的影响特性,发展了确定性相关项模型,发展完善了时均模拟技术,为下一步和线性谐波法相结合,实现对转静干涉噪声源的快速非定常计算,提供坚实的基础。(5)建立了气动声学知识库系统和噪声机理知识。首先建立了国际上首套气动声学知识库系统;其次对大攻角超音速流动,发现了机翼上表面存在一种激波/滑移面共存结构,发现了一种新的气动噪声来源;最后针对气动声学重要来源之一的点涡与物体的相互作用,建立了一套点涡群对多物体受力影响的基本理论。