平板湍流边界层流向—法向平面发卡涡的PIV实验研究

湍流边界层流动精细涡结构的分析对于水下航行体表面减阻乃至降噪机理的深入研究都具有重要意义。文章应用粒子图像测速技术(PIV),对Re_θ=1 743和5 400时的平板湍流边界层的流向一法向平面流场进行了测试研究。一方面,直接对瞬时速度场精细涡结构进行提取分析,通过Galilean分解和λ_(ci)准则识别出流向—法向平面中的发卡涡及发卡涡包。研究表明,发卡涡和雷诺应力的分布特征具有高度相关性;发卡涡包产生了流向动量的法向不规则分层分布特征。另一方面,文中通过对500个瞬时速度场子样进行时间平均分析,获得了不同雷诺数下平均速度以及湍流度分量的法向分布规律。此外,文中还对发卡涡的几何尺寸和漩涡强度λ_(ci)进行了统计分析。研究表明,在y^+<50范围内无量纲化的漩涡强度λ_(ci)δ/u_τ沿法向迅速衰减,且在不同雷诺数下变化曲线基本一致;在y^+>50后λ_(ci)δ/u_τ衰减平缓,且低雷诺数下的值较大。

槽道流转捩中发卡涡演化与波增长的关系

通过对槽道流常规转捩的直接数值模拟,研究了转捩突变前后,发卡涡的演化与T-S波增长的对应关系,重点对占流场绝大多数、转捩前期增长缓慢的T-S波的急速增长在发卡涡演化中所处的阶段进行了分析.研究发现,在发卡涡头部形成阶段,流场中典型的未增长起来的波一直保持着缓慢的增长趋势;当发卡涡头部产生分离时,这些波的实际增长率开始爆发式增加,并在短时间内呈数量级增长,急速增长的过程一直延续到发卡涡头部混乱之后.

窄方腔软湍流Rayleigh-Bénard热对流中角涡的三维发卡涡结构

通过直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS)求解三维窄方腔湍流Rayleigh-Bénard(RB)热对流流场,讨论尺度比为1/4的三维窄方腔中的流动.三维方腔流场的流线图和速度场与二维流场一致,都反映出大尺度环流和角涡的软湍流流动特征.进一步观察三维流线图发现,在近底板附近流线的走向并不是沿着大尺度环流的方向.转换三维流线图的观察角度,可明显看到近底板附近流线是螺旋状的,并与角涡相连.分析整个流场的涡旋特征发现,在窄方腔热对流中沿底板棱边区域产生涡对与角涡连接形成三维发卡涡流动的结构.

基于Stereo-PIV技术的三维发卡涡结构定量测量研究

发卡涡是湍流相干结构研究中最为关注的内容,实现发卡涡三维结构的定量测量并进行流体动力学分析,对深入研究湍流相干结构、实现湍流精准控制等具有重要意义.本研究通过对合成射流装置进行合理控制,使得层流边界层中产生了规则的人造发卡涡结构,进而用体视图像粒子测速仪(Stereo-PIV)锁相实验技术对发卡涡结构所在的三维空间流场进行了定量测量,并得到了一个完整周期内形成的发卡涡三维结构的空间流场.结果发现,重构所得的三维发卡涡结构质量较高,实验技术和方案具有可行性.发卡涡结构所在空间流场情况,符合目前人们对于发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的常规认识.此外,对近壁二次流向涡、展向涡量集中区域的展向涡头和强剪切区域、与低速喷射流体相关的汇聚流动和发散流动等有了更细致的认识.同时,也探讨了"基于二维脉动流场的相关特征去重构发卡涡三维流场"的可行性.为进一步定量探究发卡涡结构的形成演化、不同涡结构的融合及二次诱导等壁湍流相干结构问题提供思路.

栅格翼尾流中的发卡涡(英文)

介绍了在水漕中用氢气泡法显示的斜置蜂窝式栅格翼尾流流态 ,发现在中等迎角下 ,相交翼元的每个交叉处邻近壁面的尾流中 ,有伴随着壁面流动分离而周期性脱落的发卡涡 ,它们相互连接 ,形成“涡链”。还介绍了栅格翼尾流中发卡涡的主要流动特征 ,并对其产生的流动机理作了初步探讨。

由近壁条带失稳诱导的发卡涡包的形成机制

本文从近壁条带失稳的角度出发,采用直接数值模拟方法研究了不可压缩槽道湍流中发卡涡包的形成机制。研究表明,亚谐型弯曲模式低速条带的失稳可诱导出由多个严格对称和非对称的发卡涡组成的涡包结构。其中,严格对称的发卡涡由相邻低速条带间的碰撞导致,而非对称的发卡涡由低速条带的破碎导致。在条带的失稳过程中,高、低速流体之间的剪切是发卡涡形成的重要一环。该文结果不仅有助于深入认识壁湍流拟序结构演化的本质,而且对实际工程中壁湍流的应用和控制有一定的指导意义。

湍流边界层中下扫流与“反发卡涡”

用氢气泡法观测湍流边界层的下扫流和有关的流动结构 .实验中发现一种新型涡结构 ,它的特征与典型的发卡涡正好相反 .发卡涡的头部指向下游 ,而它的头部指向上游 ;发卡涡的两腿之间 ,由于涡的诱导产生上升流 ,而它则在其两腿之间 ,由于涡的诱导产生下扫流 .

湍流边界层流向-展向平面中发卡涡的涡迹特征

研究湍流边界层精细流动结构特征,有助于建立流动结构特征与壁面摩阻、流噪声之间的关联,从而为湍流边界层减阻降噪机理的深层次研究奠定基础。该文应用PIV(粒子图像测速)技术,对平板湍流边界层中发卡涡在流向-展向平面的涡迹特征进行研究。利用PIV瞬时速度场,捕捉到明显的低速条带,通过统计分析获得对数层范围低速条带间距随壁面法向距离的变化以及雷诺数的影响规律。同时,通过涡识别准则,提取在流向-展向平面内长低速条带两侧的反向漩涡带,揭示了发卡涡包与长低速条带的内在关系。此外,还研究了流向-展向平面发卡涡涡腿间距随壁面法向距离的变化规律以及雷诺数的影响。

平板边界层转捩中发卡涡演化与流动稳定性的关系

该文通过对平板边界层转捩的直接数值模拟,研究了转捩过程中涡发展到发卡涡以及环状涡链结构的生成、演化直至破碎的全过程。该模拟结果丰富了对发卡涡演化的认识,并符合已有的实验观察现象及对发卡涡演化的一般认识。研究结果表明,流向平均脉动动能存在过饱和现象,该现象可以用环状涡链开始破碎及次破碎使流向脉动逐渐转化为展向和法向的脉动来解释。同时发现,发卡涡的演化情况与壁面摩擦系数、平均脉动动能及流动稳定性分析得到的中性曲线范围的大小之间有着明显的对应关系,可以通过流场中壁面摩擦系数、平均脉动动能的变化及流动稳定性分析的结果预测转捩过程中发卡涡的演化状态。

航行体水下连续发射尾涡遭遇与运动干扰特性

为研究不同发射时间间隔下航行体水下连续发射尾涡干扰与弹道特性,基于Realizable k-ε湍流模型和能量方程、流体体积方法和重叠网格技术,开展数值方法和网格无关性验证,数值模拟结果与实验测试结果吻合度较好。建立航行体水下连续发射数值模拟方法,研究航行体尾流区涡结构的演变机理、次发航行体表面压力分布、弹道以及俯仰姿态演变规律。研究结果表明:航行体水下连续发射过程中在其尾流中发现了发卡涡形态的流动结构,该涡结构由涡头与两条涡腿组成,通常以多个共同组合的形式存在于航行体尾部的流场区域中;沿涡腿内侧发生喷射事件,沿涡腿外侧发生扫掠事件,同时在涡结构内部形成一定流向尺度的低速条带区域;在横流效应下,当次发航行体表面穿过尾流中涡结构中的低速条带区时,迎背流面压力分布特性得到较大的改善,增加了弹道姿态稳定性。

壁面湍流发卡涡包空间模态的TRPIV实验研究

运用高时间分辨率粒子图像测速(Time-resolved PIV简称TRPIV),测量得到平板湍流边界层流向/法向平面内瞬时速度矢量空间分布的时间序列;采用空间局部平均速度结构函数的概念,识别和提取湍流边界层中大尺度发卡涡包结构的空间特征。发现在湍流边界层中不同法向位置多个正负发卡涡包结构同时交替存在。这些分布在不同法向高度的发卡涡包结构之间通过倾斜的涡量剪切层相联系,构成了湍流边界层中内、外区紧密相连、相互作用的一种稳态的分布方式。

航行体出水过程空化结构演变与溃灭载荷特性研究

高速航行体肩部附着空泡穿越自由液面过程中发生溃灭现象,将产生巨大的冲击载荷,严重影响航行体出水姿态和结构安全性。该研究采用改进型分离涡模型,建立了水下发射非定常空化特性数值模拟方法。结果表明:航行体附着空泡出水过程自上而下发生溃灭现象,在溃灭末期收缩为较小的孤立空泡,溃灭产生的高速射流冲击结构表面;在出水过程中,水面附近的“反向旋转涡对”导致附着空泡发生了快速溃灭现象,以发卡涡为代表的壁面涡旋结构发展明显受到附着空泡的抑制;空泡溃灭末期的孤立泡产生了巨大的冲击压力峰值,对航行体结构安全性将造成巨大破坏。初期航行体迎流侧空泡溃灭行为也会导致较大的压力峰值出现。

湍流边界层均匀动量区统计分形特性的PIV实验研究

均匀动量区(UMZs)作为动量相近的局部区域成为新的湍流拟序结构成员,研究其统计特性与变化规律、分析其成因和研究其与其他湍流结构的内在关联,是深入认识壁湍流的重要途径.通过粒子图像测速系统(PIV)测量得到了具有高时空分辨率的湍流边界层流法向流场,对UMZs分区和界面位置等进行了统计,并基于瞬态流场分析了UMZs分界线与发卡涡(包)为主的湍流结构的位置关联,结果发现:UMZs流向速度概率密度函数(PDF)和界面厚度的统计分析呈现普适的分形特性,且不受湍流/非湍流界面(TNTI)和雷诺数的影响;瞬态流场UMZs数目在湍流间歇区较大,而湍流结构发展充分、层次丰富时的瞬态流场UMZs数目却较少;壁湍流涡包结构内多个发卡涡的空间分布规律决定了UMZs的统计分形特征;在近壁UMZs分界线向湍流结构存在区域集中靠拢,在外区UMZs分界线穿越展向涡核,正向涡旋导致UMZs分界线在法向上的聚集,反向涡旋引起UMZs分界线在流向上产生分离.

水下发射航行体尾涡不稳定性分析

在水下连续发射过程中前一发航行体尾流会对后一发航行体运动姿态稳定性产生流动干扰现象.因此,研究尾流中涡旋结构演变机理对解决多弹体水下连续发射流动干扰难题具有重要的意义.本文采用改进型分离涡模型与能量方程,VOF多相流模型与重叠网格技术相结合方法,对航行体水下发射尾流演变过程开展精细化模拟研究,其中模拟结果和实验吻合度较好,验证了本文数值方法的有效性.以航行体尾流区域为重点研究对象,分析了尾流区瞬态流场分布,讨论了横流强度和雷诺数对尾涡结构演变以及脉动压力分布特性的影响.结果表明:由于尾流区高速流体核心区与低速自由流相互作用导致Kelvin-Helmholtz不稳定现象出现,可以清晰地发现涡旋结构在剪切力的作用下发生脱落.在横流条件下,航行体尾端脱落的涡环与涡腿形成发卡涡,而多个发卡涡沿轴向间隔排列组成发卡涡包存在于尾流中.随着横流强度增大,形成多级发卡涡包结构,而导致脉动压力二次峰值均出现的主要原因是尾流涡旋流场演变引起的.随着雷诺数的增大,尾流中由圆柱形涡和U型涡组成的二次涡结构逐渐明显,不稳定性加强.

沟槽对湍流边界层中展向涡影响的实验研究

壁湍流中的相干结构与壁面的高摩擦阻力密切相关,研究壁面纵向微小沟槽对展向涡的影响规律,有助于深入认识沟槽壁面的减阻机理。在自由来流速度控制在0.18m/s的水槽中(Reτ=190),采用高时间分辨率粒子图像测速技术,测量光滑平板和沟槽板(s+=2h+=16.3)湍流边界层,分别获得了15998个瞬时速度矢量场。使用λci识别展向涡,比较了2种壁面流动中不同法向位置处展向涡的数量、平均强度、平均尺度及各尺度展向涡所占的数量比例。结果表明:沟槽使近壁区顺向涡的数量减小,逆向涡的数量增大,并削弱了展向涡的强度;沟槽使近壁区小尺度顺向涡和中尺度逆向涡的比例增加,中尺度顺向涡和大尺度逆向涡的比例减小,使得近壁区顺向涡的尺度差异变小,对近壁区逆向涡的尺度差异几乎无影响;沟槽减小了对数律区小尺度顺向涡的数量比例,并增大了大尺度顺向涡的数量比例,对数律区逆向涡数量比例的变化规律和顺向涡正好相反。

湍流边界层拟序结构的实验研究

20世纪60年代后,先后从流动显示发现了快慢斑、猝发、上升流、下扫流和多种涡结构等湍流边界层的拟序结构．它们对湍流边界层的摩阻、传热传质和湍动能的产生等特性有重要影响．涡结构是上述拟序结构的核心,它影响其它拟序结构的发展和演变．发卡涡通常被认为是基本涡结构．发卡涡等涡结构的再生,是湍流边界层拟序结构能够自持续的必要的因素．壁面低速流上升产生猝发,是湍流边界层湍能的主要来源;条件采样是测量猝发频率和其它拟序结构出现频率的重要手段．流动显示对湍流边界层拟序结构作了大量定性观察,有许多减阻和增加传热率等应用性研究在此基础上发展起来．80年代后,出现了测量湍流边界层的瞬时流速矢量场的多热线法和PIV技术,三维PIV技术可望将来为湍流边界层的实验研究带来重大进展．本文评述了流动显示法、多热线法和PIV技术的优点和不足之处,以及它们在对湍流边界层拟序结构的研究中的贡献．

定常等离子体强化气膜冷却效果的数值研究

为获得等离子体气动激励提高气膜冷却效率的物理机制,基于等离子体唯象模型运用大涡模拟方法开展了等离子体控制平板气膜冷却流动的仿真计算,研究了激励器位置和数目对等离子体提高气膜冷却效率的影响。结果表明:激励器越靠近气膜孔出口,冷却射流在等离子体下拉诱导作用下其中心轨迹越贴近壁面,气膜孔出口气流受到的影响越明显,当激励器布置在x/d=0时射流出口最大流向与法向速度增大了10%和3%左右,而气膜孔前缘附近的法向速度约减小了2%,从而削弱了射流迎风面上冷、热气流的掺混以及降低了肾形涡的强度及其抬升射流的能力,使得中心线气膜冷却效率约提高了40%;同单个激励器相比,当采用2个激励器时冷却射流因再次受激励器的下拉诱导与流向加速作用而更加贴近壁面,其向下游延伸的能力进一步增强,同时促使气膜孔下游的大尺度发卡涡破碎成小尺度近壁条带结构而抑制了冷、热气流的掺混,从而平板中心线和展向平均气膜冷却效率分别提高了17%和40%左右;此外,相同激励强度条件下合理分配激励器数目可有效提高等离子体改善气膜冷却效果的性能。

圆柱型粗糙元诱导的超声速边界层转捩实验研究

采用纳米粒子示踪的平面激光散射(NPLS)技术研究了马赫数为3.0条件下,不同高度和不同数量的圆柱型粗糙元诱导的边界层转捩过程.获得了超声速流动中圆柱型粗糙元诱导的边界层的流向和展向精细流场结构.观察到了粗糙元尾迹边界层的发展过程,再附后的边界层将在一定范围内保持稳定.同时,在边界层发展过程中观测到了清晰的发卡涡结构.利用分形理论对边界层NPLS图像进行定量分析,获得了几种情况下边界层转捩的位置.研究结果表明,多个粗糙元间的相互作用能够抑制边界层的转捩以及尾迹中发卡涡的演化.然而,当两侧粗糙元高于中间的粗糙元时,粗糙元间的相互影响对于尾迹边界层发展的抑制作用反而不明显.

复式断面明渠湍流的统计特征和拟序结构

应用直接数值模拟(DNS)方法,研究了复式断面明渠湍流的一阶和二阶统计特征,分析了湍流拟序结构在复式断面明渠内的分布规律。首先,针对平板边界层湍流问题对数值模拟方法的精度进行了验证;随后,分析了复式断面明渠的主流流速分布、二次环流强度和分布,以及二次环流对主流流速分布的影响,讨论了紊动强度和雷诺剪切应力极值大小和分布特征;最后,再现了复式断面明渠湍流的三维拟序结构,阐述了滩槽结合处典型“发卡”涡结构的特征及其诱发二次环流的机制。

脉冲横向射流的大涡模拟

为了研究脉冲气膜冷却的流动特性,采用基于高阶对称加权本质无振荡(WENO)-Roe格式和隐式牛顿迭代时间推进、动态亚格子模型和预处理技术下的大涡模拟(LES)计算方法,对吹气比为1.0下的斜管横向射流进行了稳态和脉冲两种不同工况下的数值模拟.计算结果显示了射流流场中存在发卡涡结构,研究表明射流孔进口位置的脉冲改变了射流出口拟序结构,即改变了射流与主流的掺混过程.