分层强剪切环境下减阻板对圆柱减阻效应研究

由于上下水层流动反向,柱体在分层流环境中与密度均一流环境中受力差别较大。将密度均一流环境下上游减阻板对柱体减阻的概念引入分层流环境下的圆柱受力研究中,建立三维数值模型,采用大涡模拟(LES)技术,研究内波环境下圆柱的减阻效应。结果表明:在上层水体中,减阻板对柱体受力影响较大;在下层水体中,减阻板几乎不起作用。减阻板背部的漩涡形态是影响柱体减阻效应的根本原因。减阻参数(阻塞比l/D及“板-柱”间距s/D)决定了柱周漩涡结构特征,直接影响减阻效果。引入减阻比B_(R)量化了减阻效果,采用回归分析拟合出B_(R)与s/l的经验公式。需将减阻参数控制在合理范围内,避免发生“减阻过度”。研究成果对提高近岸及河口建筑物墩柱安全有重要意义。

壁面湍流质量注入减阻效应的数值研究

为解释边界层质量注入减少摩擦阻力机理,采用雷诺平均纳维-斯托克斯方程,基于最近发展的的Wilcox k-ω湍流模式,对二维壁湍流质量注入进行了数值研究。计算得到的局部摩擦阻力系数与试验结果比较,表明该模式在该情况下具有较高的精度。在其他参数保持不变的条件下,分有无质量注入2种情况,确认了质量注入会增加边界层厚度的膨胀效应,促进了边界层内湍流的发展程度,解释了减阻效应。通过速度剖面分布、湍动能及涡粘系数的分布比较,有助于加深人们对该流动现象的认识。

底凹结构减阻效应数值分析

为研究弹丸底凹结构的减阻机理,使用三维定常CFD方法对M910弹丸的流场特性进行了数值模拟。给出了零升阻力系数随马赫数的变化规律,所得结果与实验数据符合很好。在此基础上,为M910弹丸引入底凹结构并进行数值模拟。对比了不同弹底结构的底部流场特性,对底凹结构减阻效应的产生机理进行了分析。结果表明:亚声速下,底凹结构在底凹腔体内引入了高压“死水区”,并以“屈从”的流体边界代替了原固体底面,从而改变了尾部涡街的形成位置、形状和强度,最终增大底部压力,减小弹丸阻力;跨声速下,由于尾部涡街远离弹丸底面,固体底面与流体边界面的作用相同,使得底凹不再具有减阻效果;超声速下,底凹结构的减阻机理与底排弹丸减阻机理类似,即底凹结构中的流体为弹丸底部回流区添加质量从而达到减阻作用。

考虑泥沙减阻效应的潮波理论模型及其在钱塘江河口的应用

潮波理论模型快速高效,但在钱塘江河口应用甚少.钱塘江河口外水体浑浊,涨潮流亦挟带大量泥沙进入钱塘江河口,泥沙的存在极可能显著影响潮波特征.本文将考虑泥沙减阻效应的动床阻力经验式直接应用于Winterwerp-Wang潮波理论模型,计算得到了与钱塘江河口实测潮波数据吻合的潮波演化结果,检验了现有考虑泥沙减阻效应的动床阻力经验式在以细粉砂为主的钱塘江河口的适应性.研究还表明,床面摩阻、河口收窄幅度（如围垦工程影响等）、水深等因素均对潮波演变、尤其是潮差的沿程变化有重大影响.

黄原胶溶液减阻特性实验

采用较粗水平圆管对两种温度多种浓度黄原胶溶液进行了较系统的实验研究,并应用Metzner-Reed广义雷诺数定义,对管道中不同流动状态的广义雷诺数进行了计算,得到了Fanning系数和广义雷诺数关系图,发现黄原胶溶液从层流到紊流转捩点的广义雷诺数随着溶液浓度的升高而增大,给出了转捩点广义雷诺数与溶液浓度变化的关系表达式.此外还发现:在层流区,黄原胶溶液的Fanning阻力系数与广义雷诺数之间具有良好的线性关系,与牛顿流体阻力系数图吻合,这与前人的理论分析及实验研究结果一致;在紊流区,黄原胶溶液具有明显的减阻效应,减阻效应随着溶液浓度的升高而增大.

底排喷口效应的进一步研究

本研究考虑了排气量的减阻效应，实验结果表明：在实用Ｉ值范围内，喷口尺寸对总底排减阻率影响可以忽略。

基于凹坑型非光滑表面结构的公路自行车轮组减阻应用分析

空气阻力是公路自行车行进阻力的重要组成部分之一,围绕如何有效减低空气阻力已经展开了广泛的研究并取得了大量应用成果。本文基于非光滑车表自行车的空气阻力特征,分析凹坑型非光滑表面结构的减阻原理,探究凹坑型非光滑表面设计轮组在公路自行车行进过程中发挥的减阻效用。研究结果表明凹坑型非光滑表面通过凹坑产生紊流来延缓边界层分离的设计可以有效的平衡气压缓解压差阻力、降低空气阻力。研究论证了基于凹坑型非光滑表面结构的公路自行车轮组在降低空气阻力方面的可行性,为公路自行车的减阻研究提供新的思路。

水下航行体通气超空泡非对称性研究

超空化水下高速航行体为了满足运动平衡性和稳定性要求,需要采用非对称超空泡流动模式。为了探索满足要求的非对称超空泡流型,在水洞中开展了水下航行体通气超空泡非对称性实验研究。采用通气的方法在较低水速(V=7～12m/s)下生成人工超空泡,通过分析和测量不同弗劳德数、模型攻角、空化器攻角与舵角等实验条件下的超空泡图像,获得了航行体超空泡非对称性与影响因素之间的定量和定性关系。研究表明,当组合参数F_r^2(1+σ)>50时,重力引起的超空泡变形量小于5‰;由模型攻角、空化器攻角和舵角产生的非对称超空泡流型可以满足超空化水下航行体的平衡性要求。

江苏大丰潮滩潮流边界层特征研究

2003年7月中小潮期间使用MIDAS-400用户化数据采集系统在江苏大丰潮滩上进行了垂向多层位同步的流速和悬沙浓度观测。根据观测资料研究了潮流作用下的潮滩底部边界层过程，结果表明，观测地点的潮汐不对称现象十分明显，落潮流速、历时和输水输沙量皆明显大于涨潮；在潮周期内的多数时间里流速剖面符合对数分布，但在风力较强、水流快速增加和流速缓慢的情况下，流速剖面常偏离对数分布；悬沙颗粒垂向混合均匀，悬沙浓度剖面符合Rouse公式；落潮时的底部切应力和摩阻流速明显大于涨潮，摩阻流速与各水层流速通常有较好的线性关系；滩面糙度主要与沙纹形态和推移质运动强度有关，它与摩阻流速存在密切关系；悬沙浓度具有明显的减阻效应，受其影响，摩阻流速和底部切应力分别减小了28％-41％和40％-62％。

水流掺气对明流泄洪洞及挑坎水力特性的影响

水流充分掺气可以避免高流速泄洪设施发生空蚀,但也会改变相关水力特性。通过对某大坝泄洪洞掺气设施水力模型试验及关于水流表面自掺气发生条件的相关分析,提出了在全程流速超过38 m/s,长度达550 m的明流洞内仅布置一级掺气设施的建议,较通常情况减少了两级;并针对泄洪洞出流方向与河道流向交角达60°的特点,研究提出了一种大差动异型鼻坎消能工。水工模型试验成果表明,其挑流水舌沿河道纵向扩散良好,水舌外缘与河道对岸保持了30 m以上的安全距离。该泄洪洞建成后经历了高水头、较长时间的泄洪运行,明流洞和鼻坎消能工均无空蚀发生,但挑坎水舌却冲刷到对岸边坡。

三维动波浪壁流动的数值研究

本文用 ALE方法对二、三维动波浪壁边界层流体运动进行数值模拟 ,并由流动的速度场、涡量场和压力分布分析了波涡相互作用的机理、动波浪壁边界层的流动特征和明显的减阻效应。数值结果表明了 ALE方法和动网格系统对模拟动波浪壁边界层流体运动是一种有效的数值方法。

织构设计调控表面性能的研究进展

表面织构设计对表面性能和使用范围发挥着重要的作用,文中介绍了表面织构影响表面摩擦性能的主要原理,在众多的研究中发现,表面织构的面积率、形状、尺寸等参数都对表面摩擦有着重要的影响。表面织构的尺度设计与嵌套控制可有效提升材料的摩擦性能。在此基础上,分析了表面织构设计在减阻、防污方面的研究现状,指出利用表面织构构建仿生防污、减阻的一体化技术,将成为未来的重要研究方向,借助表面织构技术与其他技术地有效结合,能够进一步拓宽其应用领域。

声明

《机电工程技术》期刊于第50卷第04期发表的“靶板强度对射孔弹穿深影响的有限元仿真”(DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2021.04.027)一文,文章作者:徐浩,李明飞,窦益华,郑杰。来源于国家自然科学基金青年基金:附加牵引力与减阻效应的大位移水平井连续油管极限下入机理研究(项目号:52004215)。