应用PIV进行二维后向台阶流流动特性的研究(1)二维后向台阶流的旋涡结构的研究

利用PIV技术,对二维后向台阶定常流的瞬态速度场进行了测量,得到层流至湍流情况下定常流流场中旋涡的生成、发展和演化的现象和规律。本文分析了各种情况下旋涡结构特点、讨论了与时均流场和自由剪切层的区别,还给出了二维后向台阶流的拓扑结构。

后台阶流的水动力特征

后台阶流动是一种经典的分离流动问题,为了更深入地分析后台阶流动结构,探讨台阶流动水力特性,基于FLUENT软件,采用三维k-ε紊流模型对大范围雷诺数50<Re<50 000情况下的后台阶水流流动进行了数值模拟,将其结果与PIV试验所测结果相结合,分析后台阶流动的回流区特性和回流区长度变化规律,详细分析了中心剖面的断面速度、压力、紊动能和涡量等水力特性的分布情况.结果表明:模拟值与试验值吻合较好,两者都存在稳定的回流区,回流区长度变化趋势相一致,模型结果可靠;水力特性均受回流区的影响较大,尤其在分离点处压力达最小值,涡量也在此处沿回流区边缘扩散,而在回流中心处速度较小,紊动能则较大.

应用PIV进行二维后向台阶流流动特性的研究(2)二维后向台阶流起动流的研究

利用PIV技术,对二维后向台阶起动流的瞬态速度场进行了观测,得到层流至湍流情况下起动流的一些运动规律。本文分析了流动中起动涡等旋涡的运动和发展特征,分析了起动流过程中再附着点的位置、起动涡等旋涡涡心的位置等的变化规律。

平面旋涡(中心型奇点)水力特性的探讨

本文讨论了平面旋涡（中心型奇点）的水力特性．说明了这种旋涡的中心被封闭的流线所包围，中心点的流速为零，封闭流线为椭圆曲线；给出了旋涡内流速与压强，旋涡的环量、涡量以及角动量的表达式；建立了旋涡水力参数和主流水力参数的连接条件，包括两个运动连接条件和两个动力连接条件；将得到的理论结果应用于侧墙突扩或跌坎流，得到的旋涡中心压强表明，在一般明渠条件下，主流流速大于２０ｍ／ｓ时旋涡区有可能出现空蚀；应用于水跃时发现，跃长与跃高之比和突扩流旋涡的长宽比基本相同，估计了水跃旋滚区的紊流运动粘滞系数；应用于交岔渠道的旋涡时，指出了旋涡宽度与渠宽之比必须小于０１６０，给出了一个数例．

洞内曲线阶梯连接段水流流场特性数值模拟

为研究洞内曲线阶梯连接段水流的流场特性,采用水气两相流Mixture模型,结合Realizableκ-ε紊流模型计算分析了连接段流态和流场分布规律。结果表明,阶梯连接段计算水面线和消能率与试验结果吻合;连接段进口由于突扩了1.0m,局部出现水翅现象,水翅高度和范围较小;阶梯连接段滑行水流分为阶梯漩涡区和平行虚拟底板主流区二部分,斜面阶梯与水平阶梯上的漩涡位置不同,漩涡区水流存在横向流动,流速较小,可见该方法能很好地模拟曲线阶梯连接段的流场特性,为同类水工体型流场特性研究提供了参考。

阶梯-深潭结构旋涡辅助消能机理初探

阶梯-深潭系统的消能作用主要集中在深潭内,这是与深潭内水流的复杂流态有关的。梯上水流跌落深潭,与潭内水流发生碰撞,进而下切,引起旋滚、翻腾、紊动等一系列利于能量交换的现象。水流在深潭内经历急流向缓流转变的过程,能量随之被消刹在潭内,进而流向下游,达到消能的目的。在潭内复杂流态的分析上,旋涡的分析是具有代表性的,潭内无论出现横轴旋涡或者立轴旋涡,从它们与潭内水流翻滚摩擦以及旋涡间互相影响的角度来说,都是有利于消能的。

锅炉燃烧中的一个流体力学问题

锅炉正压燃烧是锅炉燃烧时容易发生的一个严重问题,威胁锅炉的安全运行．其形成原因是多方 面的．介绍一个风道壁面振动,造成非定常流动流体,从而使前向、后向台阶流动分离涡脱落,造成的正压燃 烧实例．采取加强固壁,消除台阶等措施进行改造,取得了很好的效果．

阶梯形丁坝区明槽紊流横向涡的统计特征

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物。基于PIV(Particle Image Velocimetry)水槽试验,研究了阶梯形丁坝区明槽紊流横向涡密度、面积、形状参数、旋转强度的沿程及沿槽宽分布规律。结果表明:(1)涡密度沿水深方向的分布在坝顶及槽底附近均出现波动峰值,沿流向距丁坝越远,涡密度波动越小;(2)丁坝附近同一位置的顺向涡总面积大于逆向涡,垂线上涡面积峰值出现在丁坝顶部并随距水槽中轴距离的减小而减小;(3)丁坝附近横向涡多呈椭圆形,丁坝区槽底处的逆向涡和水面处的顺向涡均呈扁平状;(4)丁坝附近同一位置的逆向涡旋转强度远大于顺向涡,丁坝上游至丁坝段,横向涡旋转强度沿程呈骤减趋势,丁坝段至下游,横向涡旋转强度沿程逐渐趋稳。研究结果可为揭示阶梯形丁坝的局部冲刷机制提供参考。

V形阶梯溢洪道水力学特性试验研究

针对V形阶梯溢洪道在大单宽流量下运行存在的问题,研究了坡比为1∶2的V形阶梯溢洪道在不同单宽流量时的流态、时均压强、消能率等水力学特性。试验结果表明,同一阶梯的不同位置,漩涡的强度不同,越靠近中轴线漩涡强度越小;阶梯水平面上的负压区集中于靠近边墙的凹角处,中轴线附近无负压;阶梯竖直面上,凹角处时均压强最大;消能率较高,且适应范围更大。

对称突扩水流流态失稳和流场结构

对称突扩分离再附水流现象广泛存在于工程和生活中,流道突扩易产生局部水头损失、压力变化、结构振动、次生噪声等,对称突扩存在流场对称性失稳现象,如管道对称突扩等。然而,由于紊流的复杂性和量测技术的局限性,人们对其流动特性和流态演变规律认识仍然不足,有必要开展对称突扩流动的流场结构分析研究。本文基于物理模型试验和高精度图像粒子测速技术,模拟了不同雷诺数条件下(Re=539~48911)对称突扩水流流动现象和精细流场结构,包含层流、过渡流和充分发展的紊流典型流态,随着雷诺数Re增加,流态从层流过渡到紊流,从对称到非对称分布,其流态发生对称性失稳,高雷诺数紊流时主流偏向一侧,流场结构相对稳定;揭示了突扩水流主流两侧形成的非对称分布的大尺度涡漩结构,其与流场对称性失稳有关联。

四种常用湍流模型在二维后向台阶流数值模拟上的性能比较

利用Fluent软件的四种常用湍流模型(k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型、Realizable k-ε湍流模型、以及k-ω湍流模型)对雷诺数(Re)处于200到6 500之间的二维后向台阶流的性能进行比较分析。得到了各种模型下具有不同雷诺数的瞬时平均流场和时均流场的分布特征,得到了回流区长度和涡心位置与Re的关系,并与齐鄂荣等人所作的实验结果进行了对比分析。

流速分层流场中细长柔性立管涡激振动试验研究

洋流流速沿水深的分层变化对长柔性立管涡激振动性能有一定的影响.在开发流速增大装置的基础上,在拖曳水池中完成了1组流速分层流场中细长柔性立管涡激振动试验,测量数据包括流向和垂直流向上立管表面的应变值,试验数据采用模态分析法加以分析.结果表明:流速分层流场中细长柔性立管涡激振动不同于均匀流场及剪切流场的振动;流速增大层立管流向弯曲曲线的最大弯曲点偏向于流速增大层的作用段;立管流向和垂直流向振动的频率分布呈现出集中和分散2种形式;激发的立管垂直流向振动与拍振动类似.

复合台阶绕流中旋涡与强化传热的关联性机理

研究了复合台阶绕流中典型旋涡和壁面传热之间的关联性机理。通过PIV实验对所用的数值模拟方法进行了验证。从瞬态和时均两方面分析了早期过渡流区域复合台阶绕流的传热特性。结果表明:从层流到早期过渡流壁面的时均传热随雷诺数呈现出非线性的增长趋势,同时台阶底面局部区域的流动传热出现了非相似性。为了理清上述传热特征的形成原因,对一个振动周期里典型旋涡的形态特征和演变规律进行了分析,发现旋涡再附着冲击角γ,近壁冲击流速Ω和旋涡流向长度Lv是影响传热的三个关键因素。一般情况下,壁面传热随着γ和Ω的增大而增大。

弹簧压并状态下悬架减振器绕流涡旋特性分析

为研究汽车行驶过程中减振器弹簧压并状态下翼子板内流场特性的变化,将该状态下的减振器简化为三维变截面圆柱模型,并建立变截面圆柱绕流三维流场模型,利用Transition SST四方程转捩模型模拟低、中、高3种车速对大、小圆柱绕流涡旋特性的影响.结果表明:绕流后尾涡的大小、形态、上升角均受圆柱直径、雷诺数及边界条件的影响,在变截面处验证“下洗”运动对N区边缘涡生长的直接作用及对L区涡旋分布的干扰作用;3种流速下适合绕流涡旋振动压电能量回收的最优夹角分别为±10°,±15°,±20°;在有界的高雷诺数流场下对变截面圆柱绕流涡旋重新分区,发现新的涡旋连接方式.

圆形Rayleigh台阶腔体流动特性的数值模拟

为了揭示流体流动特性对静压支承油腔承载力的影响,根据圆形Rayleigh台阶腔体流动特性,将流动分为三部分:入口中心对称碰撞流动、凹槽径向发散流动和节流边微流动.采用计算流体力学(CFD)方法建立计算模型,对腔体几何参数(e,h)和入口雷诺数(Re)等因素对流场涡胞的影响进行数值模拟.结果表明:Rayleigh台阶结构腔体内流动较平行圆盘间流动更加复杂,有涡胞结构存在;腔体内压强较高,具有更高的承载力;当200<Re<2 250时,流场中有1至4个不同数量的涡胞存在;随节流边厚度h(0.05～0.20 mm)和几何参数e(0.5～4.0)的增大,涡胞数量增多,尺寸增大,涡胞位置也发生变化;流体入口轴向速度对流场结构模拟结果有重要影响;同时,由于涡胞结构的影响,腔体壁面压强及近壁面速度分布是不均匀的.

组合台阶柱绕流涡结构与水动力特性研究

该文利用开源软件OpenFOAM模拟研究了圆柱与方柱按不同形式串接而成的组合台阶柱的三维绕流流场与水动力特性。基于单位圆柱直径,来流雷诺数为500,方柱与圆柱的直径比为1.5,两者长度比为1:1。研究发现,台阶处存在“下洗”效应,且起始端相连的连接涡与边缘涡成对出现,造成台阶附近出现明显的尾涡干涉现象。单台阶柱的展向涡干涉区介于交接处上下±0.3D范围内,干涉区内流向时均速度为零的等值线断裂呈多根并存。受尾涡干涉与壁面涡的影响,单台阶柱的圆柱尾迹增宽约30%,背流面平均压力系数比单一方柱小25%,而双台阶柱的圆柱尾迹增宽约50%,背流面压力系数比单一方柱小33%。这表明尾流特征尺寸和表面的压力系数沿轴向均有明显波动,且双台阶更为显著。台阶柱尾流存在涡位错和涡分裂现象,双台阶柱后方的涡管分裂成更多小涡,涡脱频率带宽较大。表面平均压力系数与台阶个数有关,台阶柱的升力系数脉动值较单一形状柱体小,且双台阶柱的阻力系数脉动值最小。

浸入边界法模拟小圆柱对主圆柱涡脱落的抑制

使用浸入边界法研究了小圆柱对主圆柱涡脱落的抑制.方法中使用非贴体笛儿尔网格,易于处理包含复杂边界的流动问题.采用离散附加力直接加入边界条件方法对虚单元进行重构,使边界条件在浸入边界上精确满足.使用隐式分步法解二维非定常不可压Navier-Stokes方程,通过速度和压力解耦提高计算效率.数值模拟单圆柱绕流及不同位置小圆柱和主圆柱的流动干扰,通过分析流场涡结构和升、阻力系数,得到小圆柱对主圆柱涡脱落的延迟和抑制作用.计算结果与已有实验结论和数值结果对比,计算误差不超过5%,说明浸入边界法可以简单有效地处理圆柱涡脱落抑制这类流动干扰问题.