圆管湍流近壁结构的DPIV实验研究

采用粒子数字图像测速 (DPIV)对充分发展的圆管湍流进行了研究 ,测量结果和直接数值模拟结果的比较 ,表明作者开发的DPIV技术可取得满意的精度。在此基础上通过瞬时脉动速度场对圆管湍流的近壁结构进行了研究 ,并在近壁结构中检测出涡诱导的喷发和扫掠、低速条带和流向涡结构等拟序结构 。

混合长度理论应用于城市污水圆管湍流的研究

从圆管湍流切应力的变化规律,以及雷诺应力是质点掺混而导致的动量输运率实质出发,应用普朗特混合长度理论,提出一种分析城市原生污水中固体微粒对流动特性影响的有效方法,导出了原生污水综合密度和卡门常数的计算公式,得到原生污水圆管流的半经验速度场以及阻力特性,指出了污水圆管流的特殊之处.

充分发展圆管湍流的实验研究

采用粒子数字图像测速（ｄｉｇｉｔａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ，ＤＰＩＶ）和定量流动显示技术（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｆｌｏｗ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＱＦＶ）对充分发展的圆管湍流进行了研究．测量结果和直接数值模拟（ｄｉｒｅｃｔｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＤＮＳ）结果进行了比较，结果表明作者开发的 ＤＰＩＶ技术取得了满意的精度．在此基础上对圆管湍流的动力学机理进行了研究，分析了上抛和下扫在湍流生成中的贡献以及流动显示结构内的脉动速度分布，测量结果显示在圆管湍流的近壁区存在横向强脉冲现象和流动显示所能观察到的结构为上抛占主导地位的结构．

超疏水性圆管湍流减阻的数值模拟

针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,使用数值模拟方法研究了超疏水性圆管内的湍流流动特性.研究表明:其流场中存在临界Re,当Re大于此临界值时,超疏水性圆管内的湍流流动表现为减阻;反之,则表现为增阻.超疏水表面无滑移壁面与自由剪切面的综合效果是导致这一现象的主要原因.

圆管湍流的近壁涡结构

本文利用流动显示方法研究圆管湍流的近壁涡结构。采用激光诱导荧光技术显示流场。以每秒２５帧的ＣＣＤ摄象机记录近壁流动结构。通过图象时间序列计算纵向涡的平均间距和平均猝发周期。实验结果表明：圆管湍流的近壁结构和平壁湍流结构类似，但是平均间距和猝发周期均大于平壁湍流的相应参数。本文还利用图象处理技术重构近壁涡的空间图象。

圆管湍流结构的数值研究

本文利用谱方法对光滑圆管内湍流流动进行了直接数值模拟 ,得到了圆管湍流充分发展的速度场和浓度场数据 ,利用DNS数据研究了圆管内湍流的低速条带、上抛、下扫等结构。通过求解浓度方程得到了浓度场数据 ,并对流动进行了显示。最后利用多种方法进行了猝发事件的检测 。

激励小尺度模式在湍流圆管射流中的应用

采用非涡黏性的激励小尺度（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｓｍａｌｌ Ｓｃａｌｅ）模式对空间发展的轴对称湍流圆 管射流进行了大涡模拟，以雷诺数为 １０ ０００的流动为例，考证了激励小尺度模式在自由剪切流 模拟中的可行性，描述了湍流强度、雷诺应力和湍流耗散量的变化，同时与标准的Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ 涡黏性模式的计算结果进行了比较．数值结果显示，激励小尺度模式能够更为合理地描述湍流 的耗散特性和能量传输特性，从而较为准确地展示出空间发展射流中由于流动不稳定而出现的 旋涡产生、发展、破碎及合并等过程。

恒热流下湍流振荡流动与换热的数值模拟

为解决管内流体流动换热效率低及污垢沉积等问题,本文采用FLUENT6.3软件中的标准k-ε模型,对恒热流条件下圆管湍流振荡流动与换热进行了数值模拟,给出了管内流体流动的特点及区域边界条件,并对振荡流对表面传热系数和壁面切应力的影响进行对比分析。分析结果表明,当流体为非清洁水时,换热表面会有杂质沉积而形成污垢热阻,严重降低换热效率,而振荡流可以大幅增加最大壁面切应力,壁面切应力不仅会阻碍换热过程中非清洁水中杂质在换热表面的沉积,使换热设备一直保持在高效换热状态,而且还会冲击已沉积在换热表面的污垢层,使其脱落而减小污垢热阻,提高换热效率,所以振荡流在非清洁水换热过程中可以起到防除污垢的作用,提高换热过程中的换热效率,使换热设备一直保持在高效换热状态下。该研究为解决非清洁水换热过程中的污垢沉积问题提供了理论参考。

谱单元法在湍流数值模拟中的应用

采用高精度谱单元方法(spectral element method,SEM)对Re=3900下圆柱绕流和Re=5300下圆管湍流进行直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS),将结果与大涡模拟结果(large eddy simulation,LES)、基于有限体积法(finite volume method,FVM)的DNS结果以及实验结果进行了对比分析。对圆柱绕流的量化分析结果显示,尾流中心线处流向平均速度的SEM计算结果与实验结果基本吻合,而LES方法则低估了回流区最大速度并高估了离圆柱较远区域流向速度的协方差。另一方面,圆管湍流的对比结果显示,SEM法结果与FVM法结果在一阶统计量上基本吻合,而在二阶统计量上则略有差异,表现为FVM方法结果的流向雷诺正应力预测值偏大,而环向与径向预测值偏小。

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. 对大涡 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.