壁湍流的展向空间振荡电磁力控制机理

通过拟谱方法对展向空间振荡电磁力控制槽道湍流问题进行研究.结果表明,选择合适的电磁力参数,展向空间振荡电磁力可影响涡结构生成,进而控制壁湍流.控制后的壁湍流流场存在以准流向涡和条带周期分布为主要特征的拟序结构,壁面阻力减小.如果将控制过程视作诱导流场对壁湍流固有流场的调制,研究发现,当壁湍流被有效控制时,流场的主要特征,如流向涡的几何形态,涡量方向及沿轴线的大小变化,以及涡的生成和消亡等都与诱导流场直接相关,从而也与电磁力的分布直接相关.基于此,文章阐述了展向电磁力控制壁湍流的内在机制.     

竖直槽道中泡状湍流的数值模拟研究

利用直接数值模拟技术计算研究了泡状槽道湍流问题,着重研究了当重力方向和流动方向反向(逆流方向)和同向(顺流方向)时气泡运动和湍流脉动的相互作用.比较了泡状槽道湍流和纯剪切槽道湍流的流场统计特性,分析了气泡在流场中的分布规律,讨论了气泡在湍流流场中的脉动运动特性及其对湍流近壁结构的影响.计算结果表明,逆流泡状槽道湍流中,气泡增强流体运动,湍流的统计特性增强;而在顺流情况下,气泡对流体运动的作用相反.     

多孔壁面槽道湍流中的流动阻力和传热

为了研究多孔介质壁面对槽道湍流流动及传热的影响,基于容积平均和局部热平衡法对含有多孔介质壁面槽道湍流的流场和热场进行直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS),讨论了具有不同达西数和孔隙率的多孔介质固壁对剪切湍流的阻力系数及传热Nusselt数的影响.研究结果表明,较高的孔隙率会产生较明显的减阻效应,而较高的达西数会提高传热效率.     

槽道湍流壁面展向周期振动减阻机理研究

为抑制壁湍流减少表面摩擦阻力,利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟,对槽道湍流壁面展向周期振动抑制壁湍流、实现减阻的内在机理进行了研究,建立了槽道湍流数据库。通过改变振幅大小和振动周期,壁面展向周期振动可以使壁面摩擦阻力明显减少。随着平均减阻率的增加,壁面阻力随时间的变化也更加稳定并且周期逐渐变大。将1个典型的阻力变化周期分成3个特征时段进行讨论。结果表明,不同时段近壁湍流结构呈现出不同的变化规律,两种减阻机理交替出现:一是振动引起的涡与条带的倾斜,这导致负展向涡的产生;二是振动引起的涡与条带间的滑移,这导致条带的加宽以及流向涡的减弱。     

壁面展向振动的可压缩槽道湍流的大涡模拟

采用大涡模拟对低雷诺数可压缩壁面展向高频振动的槽道湍流进行了模拟,详细研究了湍流相干结构的变化对边界层的温度场和热量输运的影响.首先,将得到的减阻数据和其他学者的结果进行对比分析,验证了该文的大涡模拟方法对展向振动控制的湍流模拟的可靠性.在此基础上,对温度场和热量输运进行了统计和分析,发现了槽道中的速度相干结构和温度结构始终保持高度的一致性;当速度相干结构受到抑制时,边界层中湍流对动量的输运和热量的输运同时下降,并且变化的趋势保持一致.这表明湍流相干结构在动量输运和热量输运中起到相同的主导作用.该文还得到了在合适的参数下,采用壁面展向振动技术可以实现平均壁面热流降低的结论.     

方型和矩型环管湍流直接数值模拟分析：I.平均流场,对直管道充分发展湍流边界层的再认识

通过对槽道,方型环管及矩型环管内一系列充分发展湍流的系统直接数值模拟研究,建立直管内充分发展湍流数据库,其中包括详细的湍流统计数据：（1）湍流平均流场,即平均流向速度与湍流驱动平均二次流（史称Prandtl第二类二次流）;（2）湍流雷诺应力场;（3）湍流能量谱.在此基础上,作为系统研究的第一部分,本文对这些流动构型的湍流平均流场,包括平均流向速度,由湍流驱动的平均二次流结构以及平壁-角域剪切应力等,进行仔细剖析,进而总结出具有规律性的重要物理内涵.建立了直管内充分发展湍流边界层的广义壁面律,其中涵盖了von Karman平壁律和Xu90°凸,凹角域律.通过构造广义抑制函数和广义加强函数来定量描述和揭示这些规律之间的数学物理联系.首次提出在广义湍流边界层的框架下,泛型直管道边界层内层底部无量纲壁面切应力可以在一个较为宽广的范围内存在,即w0Ud3.23.5.而传统意义上由von Karman平壁律所支配的单位无量纲切应力,即层流底层关系wUy1,则仅为广义壁面律中的中性情形之特例.广义湍流边界层概念的提出和直管内充分发展湍流广义壁面律的建立,对传统意义上的湍流边界层及其密切相关的平壁律物理机制和相应数学表述进行了重新认识和重要拓展,由此达到对泛型直管内充分发展湍流边界层再认知的目的.     

三维槽道两相湍流的大涡模拟

利用基于动态粘性亚网格模型的大涡模拟方法,分别模拟计算了Ret=180的三维槽道湍流内的三种颗粒的运动状况．统计得到的流体的平均速度、脉动速度等结果与有关文献中的DNS结果一致,不同的颗粒在流场中(特别是近壁区)表现出不同的行为,并再现了颗粒在壁面附近局部富集的现象．     

一种改进的旋转湍流亚格子尺度模型及其应用

基于数学物理分析, 发展了一种新型的满足旋转湍流建模规则(即模型的渐近物性坐标不变性条件)的动力学亚格子尺度应力模型, 并针对展向旋转槽道湍流问题, 计算验证了该模型的正确性. 文中采用大涡模拟方法和该动力学亚格子尺度模型, 进一步研究了展向旋转槽道湍流的统计量和大涡Reynolds应力输运方程主要项的变化特性, 分析了旋转槽道近壁区的湍流拟序结构.     

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.     

光滑和粗糙明槽湍流流动结构分析

采用大涡模拟方法和Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ及Ｄｙｎａｍｉｃ亚格子（ＳＧＳ）模拟数值计算了光滑及粗糙明槽湍流运动。以槽高为参考长度和来流平均流速为参考速度的雷诺数分别为３０００、２２８００和１０＾５,数值离散方法为有限体积法,自由面处理使用了简单的刚盖假定,固壁面采用了壁函数。与低雷诺数直接模拟和物理实验结果相比,本文数模呈现了良好的预测结果,也揭示了自由面附近不同于固壁的湍流结构。