倒置的旋转液膜反应器上底边界半封闭时流场的数值研究

通过数值模拟,研究了倒置的旋转液膜反应器上底边界半封闭时的流场,进一步研究了雷诺数继续增大时涡的发展和演变,并且对相应的现象给出了解释。研究结果表明,继续增大雷诺数,圆台间涡的个数奇偶交替的周期变大;当雷诺数增大到300时,圆台间最终稳定为偶数个涡,涡的个数不再发生变化。     

两同轴旋转圆台之间不可压缩流体的数值模拟

本文主要研究了两同轴旋转圆台（外圆台固定）间流体的流动性质。结果表明：出口附近的流体在旋转开始后要向圆台上部回流,形成了一个压力和速度极大的涡流区域。该区域约位于z/h＝0.05~0.30,并随着转速的增加而向圆台顶部移动。当转速较小时,流体速度沿径向呈线性关系;当转速较大时,线性关系变为近似二次函数的关系。随着圆台倾角变小,流动越来越容易失稳。最后通过与Taylor-Couette流进行的比较,发现圆台绕流更容易失稳。     

同轴旋转圆台间定态解的不存在性

柱坐标系下Taylor-Couette流存在形如u=u_φ(r)e_φ,p=p(r)的定态解。对于两无限长同轴旋转圆台的情形,应用反证法证明了不存在形如u=u_r(r)e_r+u_φ(r)e_φ+u_z(r)e_z,p=p(r)这种更一般的定态解。随后在窄缝的条件下忽略圆台上下两端边界的影响,采用数值模拟方法并统计出沿z轴切面上的平均压力p是与z有关的函数,从而验证了这种解的不存在性。     

同轴旋转圆台间不可压缩流体的轴对称解

研究了在同轴旋转圆台间不可压缩流体的轴对称解,通过构造微分算子和能量估计方法,证明了该问题的轴对称解的存在唯一性。     

旋转液膜反应器内流动机理研究

对旋转液膜反应器的不同设置情况进行了数值模拟。两种设置分别为：内圆台旋转而外圆台固定,外圆台旋转而内圆台固定。模拟结果显示：当Re=200,t>70s时,两种装置内的流动状态的动能均趋于大致稳定状态。通过对压力、速度和壁面剪应力分布的对比分析,发现在相同雷诺数下,与外圆台旋转的装置相比较,内圆台旋转的装置间隙中的流体更容易失稳,更容易产生湍流,表明内圆台旋转的反应器更优。     

有压环隙科特(Couette)流的实验研究

本文公布了有压环隙科特流的21组实验曲线,这些曲线是在剪切流已充分发展而泰勒涡尚未生成的条件下测得的。由于采用了二维多普勒激光测速仪以及新发展的三光束光路,取得了十分贴近动壁、并覆盖整个测量截面的较完整的二维速度的信息。这些资料的公布,无疑对发展有压环隙科特流的实验与理论研究工作将起到重要的作用。     

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.     

旋转槽道中Taylor-G6rtler涡对雷诺应力输运的影响

我们通过直接数值模拟研究了旋转槽道湍流中Taylor-Gortler涡对雷诺应力输运的作用．采用流向平均的方法检测Taylor-Gortler涡，并定义了TG脉动．我们发现，和无旋转湍流槽道不同，旋转槽道湍流的吸力面湍流扩散对雷诺应力的输运是主要的；其中Taylor—Gortler涡在湍流扩散中起重要作用．我们关注中低旋转数的旋转槽道流动，并阐明旋转数对雷诺应力输运的影响．     

锯齿型微通道内流流场的微尺度粒子图像测量

利用微通道粒子图像测速技术在Re=150时,对断面尺寸为800 μm×800 μm的两种锯齿型微通道流动进行了研究.采用3 μm荧光示踪粒子、10倍显微物镜和14位灰阶CCD相机获得了清晰的粒子图像,通过多幅图像平均的方法消除示踪粒子布朗运动的影响,使用滤光装置提高图像信噪比.对两种锯齿形微通道流动的整场测量发现:微通道内流体在各齿之间流动结构基本一致,尖角和圆角齿形微通道在转弯内侧都存在一个低速旋涡区,圆角齿形微通道旋涡区占据范围相对尖角通道更大;在尖角齿形流道的尖角处,除存在一个完整的大涡外,还发现在大涡上部存在一个与大涡方向相反的叠加涡,叠加涡流动结构不稳定,流速更低,流体中所挟带杂质更容易在该区域沉积形成堵塞,从而导致微流道结构的改变.     

考虑旋转和曲率修正的螺旋桨梢涡流场模拟

应用显式代数雷诺应力湍流模型对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究,为了避免过高地预报梢涡涡核内湍流黏性耗散,对湍流模型进行了旋转和曲率修正．应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,为了避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理．计算结果表明：提出的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报螺旋桨梢涡流场的分布及涡核位置,并准确反映了梢涡形成和发展过程中梢涡内主涡和次涡的关系,与实验测量结果基本一致．     

旋转效应对近壁湍流特性和流场结构的影响

采用大涡模拟方法, 结合非线性动力学亚格子尺度应力模型, 数值计算了轴向旋转圆管湍流问题, 研究了旋转效应对近壁湍流特性和流场结构的影响. 文中基于脉动速度的联合概率密度函数和脉动螺旋度的概率密度函数的变化特性, 发现旋转效应显著地改变了近壁湍流的脉动螺旋度, 有助于流动在周向的进一步失稳, 从而使得周向湍流强度增强. 从大涡Reynolds应力输运方程的分析表明, 旋转效应增强了湍动能的再分配作用, 促进了周向湍流脉动的生成, 改变了近壁区湍流拟序结构, 揭示的物理现象为构造合理的湍流模型提供了必要的信息和物理基础.     

绕水翼空化的发展及其涡量场特性分析

为了解空化发展与流场中涡量变化的关系,利用数字式粒子图像测速(DPIV)系统,并辅以高速摄像,对绕水翼流动进行了观测.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,涡量主要集中在水翼后部的剪切层所在区域,并形成涡带;随着空化数的降低,空化区域的流场混合更为均匀,从而使涡量峰值逐渐减小,同时下涡带的起始位置向后推移;在云状空化阶段,涡量聚集区由涡带转化为大涡量团的分散分布,而且影响区域明显扩大.     

透水鱼礁型潜堤内部流场及绕流特性模拟

为探究透水鱼礁型潜堤近区绕流结构的形态和水动力特性,通过水槽试验和数值模拟对均匀来流作用下单体鱼礁型潜堤近区绕流结构展开精细化研究。水槽试验采用粒子图像测速技术获得礁体内外的三维湍流特征,内部湍流在时均流场中呈现出横向对称的连续涡旋结构,揭示了鱼礁型潜堤表面的穿孔设计增强礁体内外水交换的流动机制。基于有限体积法建立了三维水槽数学模型,采用标准k-ε、重整化群k-ε、可实现k-ε和大涡模拟4种典型湍流模型模拟鱼礁型潜堤绕流流场,并根据试验结果评估各湍流模型的计算精度和效率。数值结果表明：大涡模拟方法对Navior-Stokes方程直接求解大涡的优势使其对礁体内部的流动分离现象预测最为精确,但模型计算效率最低;可实现k-ε模型对礁体结构内外的流速和涡旋分布的模拟基本反映了实测结果,且计算效率最高,是在计算能力有限时最适用于模拟透水鱼礁型潜堤的湍流模型。     

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...     

工业锅炉炉内空气动力特性的PIV分析

工业锅炉炉内空气动力特性的研究对保证工业锅炉的正常工作具有重要的意义。利用粒子图像测速(PIV)技术研究旋流燃烧器一次风、二次风不同扩口角度和二次风旋流强度对炉内空气动力场的影响,结果表明,一次风扩口角度的增加使中心回流区由大变小,二次风扩口角度和旋流强度的增加均使中心回流区增大;射流边界随着一次风扩口角度的增加而减小,随二次风扩口角度和二次风旋流强度的增加而增加。研究结果可为工业锅炉和燃烧器的设计、改造和运行提供借鉴。     

水下螺旋桨尾流水面响应特性试验研究

用表面粒子图像测速技术,对水下螺旋桨旋转产生尾流传播至表面的流动特征进行试验研究.结果表明,螺旋桨作用下的自由表面流场响应是一个非定常的演化过程,总体可分为初始扰动和漩涡演化两个阶段.在初始扰动阶段,水面观测区域出现一个速度辐射中心、一个速度汇聚中心及两个区域间的x负方向主流动,涡量反差数有一个短时间的小幅度升降过程.在漩涡演化阶段,水面观测区域出现一对旋转方向相反、涡量大小几乎相同的涡对,并向x正方向传播,涡量反差数有一个长时间的大幅度升降过程.对不同转速和动量源的不用作用时间的系列试验结果表明:水下螺旋桨尾流传播至表面产生的漩涡强度特征可用涡量反差数峰值界定,而且涡量反差数峰值与限制数存在幂函数关系.     

组合桨层间距对搅拌槽内流动特性的影响

采用粒子图像测速技术(PIV)对三层组合桨(HEDT+2WHU)搅拌槽(槽径0.476m)内的流动特性进行了研究,在搅拌转速、顶桨浸没深度和顶层桨高度不变的情况下,得到了中层桨位置的变化对搅拌槽内的流型、相位解析速度场和湍流动能的影响规律。结果表明,中层桨位置的改变对搅拌槽上部区域流体的流动特性影响显著,而对搅拌槽下部区域流体的流动特性产生影响较小;随中层桨位置降低,槽上部液面处反向回流区逐步缩小直至消失,中、顶层桨合并轴向流断裂,底桨上涡环作用范围不断压缩;对于相位解析速度场,较之中层桨尾涡几乎没有变化,顶桨尾涡的发展由极其微弱逐渐清晰,底桨尾涡则提前了10°相位出现;对于湍流动能分布,中、上层桨逐渐趋向于类似两层桨单独作用,底、中层桨间整体湍流动能增大。     

基于涡量动力学与Lie导数方法的二维扇环形旋转流场的研究

理论方面,本文提出速度场物质导数的Lie导数与Lie导数补的分解,并将其用于辨识二维流场的剪切与旋转区域,可作为辨识漩涡/旋转区域的一种新方法;应用基于曲面主方向的正交系的非完整基理论发展可变形壁面上的涡量动力学,获得了壁面上涡量与涡量流的新表达式,这种表达式充分揭示了力学与几何之间的关系。数值方面,基于显含时间的曲线坐标系的涡量-流函数方法,研究二维封闭腔体做匀角速度旋转时腔内不可压缩流场的时空演化,腔体形态包括规则扇环形、波纹壁扇环形、可变形壁面扇环形。基于流场分析,归纳了腔体内部大尺度漩涡的生成机理与流场随时间的演化特征。     

某型直升机异常离地状态的尾桨涡环特性分析

为弄清某型直升机连续发生的两起异常离地后加速快转事故的原因,根据直升机尾桨涡环的机理,结合事故直升机的状态特点,进行了计算、分析,有关参数计算结果与事故直升机飞参记录的数据一致。研究表明,由于该型机在地面处于尾桨小拉力状态时,进入尾桨涡环的临界偏转角速度小,因而异常离地时一旦意外偏转,尾桨涡环易进、难改,即尾桨涡环特性显著变差。经分析,提出了相关应对措施,有利于提高该型机的起降安全水平。研究结论对其他类似机型也有参考价值。