圆管内湍流流动能量耗散率近似算法的可靠性分析

为了检验能量耗散率近似算法的可靠性。将按近似算法计算得到的管内湍流体均能量耗散率与按热力学方法导出的解析式并采用公认的摩擦因子公式计算的体均能量耗散率进行了对比。结果表明,若选择适当的湍流时均速度梯度模型。用近似算法计算的体均能量耗散率与用解析式计算的值接近。说明该近似算法的准确性可以满足工程计算的需要,湍流剪切率的计算误差小于能量耗散率的计算误差,对于牛顿流体在圆管内的湍流流动,使用三段速度分布模型计算的体均能量耗散率比采用窦国仁式速度梯度分布模型计算的误差小,参照牛顿流体能量耗散率的计算方法,提出了幂律流体管内湍流能量耗散率的近似算法。对于幂律流体,以管壁处表观粘度代替牛顿流体粘度,并采用牛顿流体时均速度梯度模型。按近似方法计算得到的体均能量耗散率与按解析式计算的结果吻合。     

牛顿流体在圆管内湍流流动剪切率的近似计算

根据剪切率的定义导出了描述湍流流动剪切率与时均流剪切率和脉动流剪切率关系的基本方程 ,该关系式与流体的流变性类型无关 ,适用于牛顿流体和非牛顿流体。根据不可压缩牛顿流体湍流剪切率与能量耗散率的关系和湍流能量耗散率的近似算法 ,得出了不可压缩牛顿流体在圆管内湍流流动剪切率及脉动流剪切率的实用算式 ,计算所得湍流剪切率及脉动流剪切率的分布特征与已知实验规律相符。     

牛顿流体在圆管内湍流流动剪切率的近似计算

根据剪切率的定义导出了描述湍流流动剪切率与时均流剪切率和脉动流剪切率关系的基本方程,该关系式与流体的流变性类型无关,适用于牛顿流体和非牛顿流体.根据不可压缩牛顿流体湍流剪切率与能量耗散率的关系和湍流能量耗散率的近似算法,得出了不可压缩牛顿流体在圆管内湍流流动剪切率及脉动流剪切率的实用算式,计算所得湍流剪切率及脉动流剪切率的分布特征与已知实验规律相符.     

关于边界层湍流能量耗散率的研究

应用PIV系统对湍流边界层内的耗散率标度律进行了实验研究,结果显示,对不同尺度上和3个不同法向位置湍滴耗散率标度律的湍流耗散主要发生在小尺度上,即湍流耗散率标度律在小尺度上具有普适性.并且随着尺度的不同,近壁面小尺度上的湍流耗散比较明显,远壁面上的湍流耗散率较小.     

圆管内定型湍流的流速分布规律

目前通用的圆管内定型湍流的对数速度分布规律,存在两个主要揣点,一是在管中心处流速分布曲线产生尖角,二是用此规律得到的阻力系数λ值在Re<10~5时与莫迪图不符。这是由于认为在整个湍流核内切应力全等于管壁处的切应力所致,实际上切应力与距管中心的距离成正比。本文由此出发而导出湍流核内流速分布规律,从而消除了上述缺点。     

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速／温度仪，在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料，计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征。结果表明：湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z／L成正相关；湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z／L在不稳定层结时，成正相关，在稳定层结时近似成负相关；在不稳定和稳定层结大气中，利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性；无量纲湍流结构参数Cv^2z^2/3σω^-2和CT^2z^2/3σT^-2是Richardson数的函数；湍流热力结构参数CT^2与感热通量——↑ω′T′具有较好的线性关系。     

青藏高原当雄地区湍流脉动耗散率特征研究

利用1998年第2次青藏高原气象科学实验（TIPEX）当雄地区观测站的湍流资料,分析了青藏高原中部地区湍流动能、温度脉动和湿度脉动耗散率的特征规律。结果表明,无量纲湍能耗散率φ_ε、无量纲温度脉动耗散率φ_N和无量纲湿度脉动耗散率φ_γ分别比风速梯度产生的能量、温度和湿度梯度产生的脉动约小20%,且随稳定度参数的绝对值的增加而呈增加的趋势;湍流输送和压力脉动项的影响贯穿于整个稳定度区间, 数值与z/L相联系。青藏高原中部地区湍流动能、温度脉动和湿度脉动耗散率的方程中系数与前人结果的差异,反映其对下垫面特征的依赖性。     

圆管中气固两相流的湍流边界层分析

应用湍流边界层的两层模型，导出稀相气固两相流通过具有恒定热通量圆管时的Ｎｕｓｓｅｌｔ数。     

圆管弯道内部流动数值模拟及湍流模式比较研究

运用有限体积法数值离散雷诺平均的Navier-Stokes方程,对90°大曲率圆形截面弯管内的湍流流动进行了计算模拟(其中雷诺应力分别采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型进行封闭),并将计算结果与实验资料进行了比较.结果表明,RNG k-ε湍流模型结合双层壁面区域处理方法能够较为准确地模拟大曲率管道中的流动现象.     

高Reynolds数流动的时均能量方程及熵增表达式

本文对湍流耗散过程作了详细的热力学分析,明确提出不仅在时均动量方程中,而且在时均能量方程及热力学第二定律的表达式中,湍流影响项与粘性影响项也具有相拟的张量表达式,而且与用何种湍流模型计算Reynolds 应力张量Ⅱ_r 无关.本文还引进名义滞止焓和平均流动熵的概念,推导出适合数值求解的封闭的克罗柯形式的时均流动方程组.     

Flow patterns and dissipation of turbulent kinetic energy in near-wall turbulence

It is disclosed the flow patterns of turbulent flows in near wall region by means of topological analysis. It has found that there exists a close relationship between the topological characteristics and the spikes which are dominated by the strong normal velocity fluctuations near the wall. It is also shown that the dissipation of turbulent kinetic energy is closely related to the spike events.     

Estimation to the turbulent kinetic energy dissipation rate and bottom shear stress in the tidal bottom boundary layer of the Yellow Sea

High frequency velocity fluctuations were measured by using an acoustic Doppler velocimeter (ADV) in the tidal bottom boundary layer (BBL) of the Yellow Sea (YS) for 25 h. The turbulent kinetic energy dissipation rate and the bottom shear stress were estimated and analyzed. Results show that: (1) in the tidal BBL of the YS, the variations of the dissipation rate and the bottom shear stress during 25 h are (1.8×10^－8—3.4×10^－5) W?kg^－1 and (6.6×10^－4—7.5×10^－1) N?m^－2 respectively, indicating that there are strong dissipations in the tidal BBL of the YS; (2) in the well-mixed tidal BBL, the turbulence is mainly shear-induced locally and the production and dissipation are generally in equilibrium; (3) for the seas where the semidiurnal tidal current is dominant, both the dissipation rate and the bottom shear stress exhibit a strong quarter-diurnal variation; (4) the mean bottom drag coefficient C_d (0.45) is 0.0017 (corresponding C_d (1.00)=0.0015), but it has significant variations (0.0005—0.0082). The mean bottom roughness length is 2.8×10^－5 m     

Estimation to the turbulent kinetic energy dissipation rate and bottom shear stress in the tidal bottom boundary layer of the Yellow Sea

High frequency velocity fluctuations were measured by using an acoustic Doppler velocimeter (ADV) in the tidal bottom boundary layer (BBL) of the Yellow Sea (YS) for 25 h. The turbulent kinetic energy dissipation rate and the bottom shear stress were estimated and analyzed. Results show that: (1) in the tidal BBL of the YS, the variations of the dissipation rate and the bottom shear stress during 25 hare (1.8×10-8-3.4×10 -5) W·kg-1 and (6.6×10-4-7.5×10-1) N·m - 2 respectively, indicating that there are strong dissipations in the tidal BBL of the YS; (2) in the well-mixed tidal BBL, the turbulence is mainly shear-induced locally and the production and dissipation are generally in equilibrium; (3) for the seas where the semidiurnal tidal current is dominant, both the dissipation rate and the bottom shear stress exhibit a strong quarter-diurnal variation; (4) the mean bottom drag coefficient Cd (0.45) is 0.0017 (corresponding Cd( 1.00) = 0.0015), but it has significant variations (0.0005-0.0082). The mean bottom roughness length is 2.8×10-5 m.     

混合长度理论应用于城市污水圆管湍流的研究

从圆管湍流切应力的变化规律,以及雷诺应力是质点掺混而导致的动量输运率实质出发,应用普朗特混合长度理论,提出一种分析城市原生污水中固体微粒对流动特性影响的有效方法,导出了原生污水综合密度和卡门常数的计算公式,得到原生污水圆管流的半经验速度场以及阻力特性,指出了污水圆管流的特殊之处。     

搅拌槽内非牛顿流体流动场的数值模拟

对搅拌槽内非牛顿流体湍流流动的数值研究还很缺乏.文中尝试利用k-ε模型计算了假塑性流体羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液在搅拌槽内的三维流动场,并与粒子成像测速(PIV)法测得的实验结果进行了比较.计算结果表明,非牛顿流体CMC水溶液的宏观流动场与牛顿流体(水)的流动场有较大差异,主要是主体流动减弱,并在叶端附近形成涡旋流动.主体流动区内的速度分布与PIV测量结果吻合较好.剪切速率在槽内的分布相差较大,桨叶附近与槽壁处的剪切速率较大,在主体流动区域较小.     

自然对流对螺旋管内湍流对流换热影响

采用控制容积有限元法对有自然对流影响的螺旋管内三维湍流对流换热问题进行了数值分析研究.螺旋管内湍流对流换热利用RNGκ-ε湍流模型进行模拟,近壁处湍流利用非平衡壁面函数法处理.数值迭代计算过程中,利用SIMPLEC算法求解速度与压力的耦合.数值计算详细揭示了螺旋管进口段内湍流混合对流换热的发展过程以及自然对流对传热努塞尔数的影响.     

牛顿流体在充满多孔介质圆管内的结构流特征

引入研究多孔介质流体流动的体积平均方法和体均原理,采用Darcy阻力经验公式和Forch-heimer修正,得到了多孔介质内流体流动的Brinkman-Forchheimer广义Darcy定律.提出了牛顿流体在充满多孔介质管道内的结构流概念,并通过边界层动量积分计算证实了流核的存在,获得了流核流速和流核半径的计算结果;分析了Darcy数和惯性参数对速度剖面的影响程度.     

圆形直管内湍动流体的摩擦因数计算

提出了一个简单实用的Colebrook显式方程,可用于流体在圆形直管内湍流流动时摩擦因数的计算。在相对粗糙度 10^-8≤ε/d≤0.05、雷诺数3000≤Re≤ 10⁸范围内,该方程计算结果与原Colebrook方程的平均偏差为0.07%,最大偏差不超过0.3%。