基于涡识别技术的微结构壁面湍流减阻机理研究

为探究微结构壁面湍流减阻机理,采用粒子图像测速技术(PIV)观测微结构壁面的水流特性,分别对超疏水壁面和微沟槽壁面的流速发展、雷诺切应力变化及涡的分布规律进行分析。引入流速的概念,对Omega(Ω)涡识别方法进行改进,建立新的Ω_(M)涡识别方法,并采用该方法对近壁面涡结构进行识别,提出液流涡密度定义,定量分析近壁处不同强度涡的分布,为研究微结构壁面减阻机理奠定基础。研究结果表明:在相同雷诺数下,边界层内流速由大到小分别为超疏水壁面、微沟槽壁面和光滑壁面,两种微结构壁面对数律层流速分布与光滑壁面相比明显外移,说明微结构壁面具有减阻效果;雷诺切应力随法向无量纲距离y+的增大而先增大后减小,其中,超疏水壁面雷诺切应力的最大值与其他壁面相比最小;采用Ω_(M)方法对近壁处涡进行识别,发现近壁0.1倍水深内,两种微结构壁面上水流中涡结构以弱涡为主,在0.2倍水深内开始出现强涡;与光滑壁面相比,微结构壁面近壁处水流弱涡的涡密度增加,强涡的涡密度减小,说明微结构壁面抑制了水流中强涡的发展;在3种壁面中,微沟槽壁面的减阻率大于7.60%;超疏水壁面的弱涡涡密度大,强涡涡密度小,减阻效果最好,减阻率大于9.48%。微结构壁面可有效降低水流输运能耗、提高其输运效率。

振动及加热壁面条件下的近壁空泡溃灭可视化研究

采用低压电火花生成空泡的方式系统研究了复杂壁面条件下的近壁空泡溃灭行为。通过不同类型振动壁面及不同温度壁面附近的空泡溃灭行为的可视化试验,发现壁面振动对空泡溃灭有促进作用,空泡溃缩过程更快,体积变化更显著。不同类型壁面对空泡溃灭过程的影响不同,柱形壁面相较于球形壁面,近壁的空泡形态较不规则,溃灭呈现整体塌陷的趋势,在反弹阶段会形成不规则的空泡云。壁面升温会使得近壁空泡产生明显趋向于壁面的溃灭行为,并伴随多次空化的现象,这会对壁面造成严重损伤。

CO_(2)液滴在粗糙固体壁面上的润湿特性

CO_(2)在粗糙固体壁面上的润湿行为对CO_(2)冷凝捕集技术具有重要意义。采用分子动力学方法探究微结构、势能及温度对CO_(2)液滴润湿的影响。结果表明:相较于平板壁面,微结构壁面提高了CO_(2)液滴的接触角;在微结构壁面上势能参数影响CO_(2)液滴的润湿状态,在栏栅结构壁面上CO_(2)液滴从Cassie-Baxter状态转向Wenzel状态,而在三角和斜坡结构壁面上CO_(2)液滴均保持Wenzel状态,3种壁面上CO_(2)液滴的接触角均随势能参数的增大而减小;此外随着体系温度升高,CO_(2)分子克服界面能垒由液相转向气相,使得液滴尺寸变小,液滴的接触角稍有减小。

壁面热辐射对车内温度场影响的分析

高原地区空气稀薄,空气导热和对流换热降低,而辐射换热增强.文中通过数值模拟的方法研究了中国高原地区夏季条件下汽车壁面热辐射对整车温度场的影响.应用整体求解法从瞬态和稳态两种角度讨论了车内热辐射对温度场的影响并与平原情况作对比.结果表明在高原地区,考虑壁面辐射的车内空气整体平均温度比不考虑壁面辐射的低8.93 K,稳态时车身的总传热量中的辐射传热占比为41.16%,前玻璃的辐射传热的占比为23.59%,后玻璃的占比为35.94%,发动机罩的为29.91%,椅子为61.96%.因此,在高原地区,固体壁面的辐射换热是一种重要换热形式,不可被忽略.

热态壁面条件下的液膜冷却实验与仿真

为了获得射流流量和射流角对液膜铺展形态、壁面温度、液膜厚度的影响规律,设计并自主搭建了基于热态壁面条件的液膜冷却实验系统,开展了射流角为25°~45°、射流流量为200~400 mL·min^(-1)的液膜冷却实验研究。研究结果表明,随着入射角的增大,铺展长度减小,铺展宽度、扩张角增加;而在射流角一定时,随着液膜流量的增加,液膜铺展的长度、宽度和扩张角都有所增加。特别地,当射流角为25°、射流流量从300 mL·min^(-1)增加至400 mL·min^(-1)时,液膜长度最大增加量为20.94 mm,且增加射流流量能够有效降低壁面温度,当入射角为35°、液膜流量为300 mL·min^(-1)时,冷却前后壁面温度最大可降低141.81℃;液膜在壁面撞击点处有厚度峰值,且液膜流量越大峰值越高,当入射角为25°、流量为400 mL·min^(-1)时,最大峰值达679.32μm。采用流体体积法(VOF)构建了液膜冷却仿真模型,计算液膜的蒸发吸热、流动铺展过程,研究结果表明,射流流量为300 mL·min^(-1)时,液膜厚度模拟结果与实验结果最大偏差为7.9%,误差控制在工程应用允许的10%范围内,从而验证了VOF方法对射流撞壁形成液膜模拟的可行性。该研究可为液体火箭发动机液膜冷却技术提供一定的参考。

乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展行为实验研究

为探究表面张力对液滴冲击过冷水平壁面铺展动力学行为的影响,搭建了可视化实验系统,探究了乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展动力学行为,分析了水平壁面过冷度对低表面张力液滴冲击铺展动力学行为的影响。实验中,采用亲水硅水平壁面及较小的冲击速度以观测乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展动力学行为。此外,还比较了不同的最大铺展因子和最大铺展时间的典型模型对乙醇液滴冲击过冷水平壁面铺展动力学因子的适用性。结果表明:乙醇液滴冲击过冷亲水水平壁面的铺展动力学行为分为飞溅、铺展、稳定3个阶段;最大铺展时间随水平壁面过冷度的增大而减小;水平壁面过冷度对最大铺展因子的影响是非单调的,在水平壁面过冷度较低时,最大内部铺展因子减小起主要作用,在水平壁面过冷度较高时,由于瑞利-泰勒不稳定性的增强,无量纲手指状突起增大起主要作用,二者共同作用造成了非单调变化;现有模型对于最大铺展时间的预测效果较好,相对平均偏差为6.05%,而对最大铺展因子的预测效果较差。

近壁面深水爆炸气泡射流演化特性的研究

近壁面气泡载荷是水中战斗部对障碍物毁伤作用的重要载荷之一。以近壁面深水爆炸气泡脉动及射流载荷特征问题为中心,开展了模拟300 m水深环境下的爆炸实验。通过高速摄影仪得到了气泡射流的演化过程;利用Autodyn轴对称模型对气泡射流的演化过程进行了计算,分析了比例距离对气泡脉动周期、射流演化形成时刻及射流强度特征的影响;探讨了壁面近场范围内的压力特征,总结得到射流载荷的演化规律。可为深水环境下水中战斗部对障碍物的毁伤效应研究提供理论参考。

紊流润滑滑动轴承壁面压力脉动效应研究

壁面压力脉动是紊流润滑滑动轴承随机振动的主要激励源之一,建立紊流激励特性和轴承结构动力学响应之间的关联,对高转速、低黏度润滑滑动轴承的状态监测和故障诊断具有重要意义。为研究紊流润滑滑动轴承的壁面压力脉动效应,考虑流体油膜中存在逆压力梯度的影响,选用Rozenberg模型和广义Corcos模型表征壁面压力脉动的自功率谱和互功率谱,采用波数域模态叠加法求解滑动轴承紊流壁面压力脉动模型,分析滑动轴承在不同工况参数下壁面压力脉动的激励特性以及结构的响应特性。结果表明:低波数区域紊流脉动压力是轴承结构高频随机振动的主要因素;随着润滑油黏度的降低,高频范围内的轴承模态响应幅值增大,共振峰值附近产生较宽的频带和较高的振幅;随着轴颈转速和径向载荷的升高,紊流压力梯度增大,高频范围内的轴承模态响应幅值也随之增大。

树干高度耦合壁面热效应对城市街谷内污染扩散的影响研究

在半封闭的街道峡谷内,交通排放和二次污染物容易在通风不良的区域积聚,严重威胁人们的健康。在影响街道峡谷流场和污染物扩散特性的诸多因素中,太阳辐射引起的壁面热浮力以及不同树干高度对空气动力学的影响一直没有得到足够的重视。通过设置5种树干高度(0.18H、0.40H、0.62H、0.84H、1.06H,H为建筑高度)耦合4种壁面加热配置,研究不同树干高度(耦合树木遮阴效应)和墙体加热条件对城市街道峡谷内气流流动和污染物扩散的影响。结果表明,不同树干高度及壁面热效应对城市街道峡谷内气流流动和污染物扩散有显著影响。当树干高度低于建筑物高度时,壁面加热产生的热浮力作用会降低街谷内污染物浓度并增强通风性能;当树干高度超过建筑物高度时,迎风面加热所产生的热浮力会对污染物扩散造成阻碍。采用全壁面加热能够实现更低的污染物积累。研究结果可为城市绿色设施的优化设计,实现对局部微气候环境和空气质量精准调控提供技术指导。

笛卡尔网格下不同湍流模型的壁面函数方法研究

自适应笛卡尔网格湍流模拟时,网格数目呈雷诺数的指数方量级增长,带来网格规模“灾难”问题。壁面函数方法可以将壁面第一层网格尺度放宽1~2个量级,是有效的解决办法之一,然而,由于笛卡尔网格的非贴体特性,壁面函数的实现及其与不同湍流模型的匹配是关键。针对这一问题,从经典的Spalding壁面函数出发,采用显式赋初值的方式,解决了壁面摩擦速度迭代求解初值敏感及分层壁面函数速度不光滑问题;基于切应力恒定的壁面条件,构造了多层虚拟网格的切向速度和湍流粘性系数,实现了笛卡尔网格下的壁面函数方法;采用结构系综理论,通过DNS数据标定,构造了湍动能随湍流粘性比率变化的关系式,实现了壁面函数与KDO湍流模型的匹配,并以平板T3b、湍流凸包和跨音速NACA0012翼型绕流为算例,与常用的SST、SA湍流模型壁面函数方法进行了对比分析。结果表明:该文提出的KDO湍流模型壁面函数法准确、可靠,且因其形式简单、计算量相对较小,有较大的推广应用价值。

壁面冷却空气对贫油吹熄特性影响的激光诊断研究

针对燃烧室中冷却壁面的冷却气膜会影响燃烧室内的流场、改变回流区结构,从而影响贫油吹熄特性这一问题,在一带有气膜冷却的旋流燃烧室上开展了不同壁面空气占比下的贫油吹熄极限测量。结果表明:壁面冷却空气占比达到0.2时,不同燃油流量下,以全局空气流量计算,燃烧室吹熄当量比降低的范围在0.09~0.1之间;以主流空气计算,吹熄当量比降低范围在0.01~0.028之间。为了更加深入研究这一规律的原因,开展了平面激光诱导荧光(PLIF)激光诊断测量,可知引入壁面冷却空气后,OH基更集中分布在靠近燃烧室底部的火焰根部。在稳定火焰工况中,与近吹熄火焰相比,在燃烧室底部附近的火焰中央有大量OH基分布,这将有助于火焰的稳定,并拓宽贫油吹熄极限。米氏散射实验结果表明,引入壁面冷却空气后可使燃油液滴更集中分布在燃烧室底部附近,这将导致根部火焰局部当量比提高,易于形成稳定的火焰。结合所得实验结果,在所使用的旋流模型燃烧室内,加入占比为0.2的壁面冷却空气,可以拓宽燃烧室的贫油吹熄极限,有助于火焰的稳定。研究结果有望对带有冷却气膜的燃烧室的燃烧稳定性调控问题提供一定的理论指导。

稀土电解过程阳极壁面气泡聚并研究

稀土电解过程中阳极侧壁产生的气泡会改变阴阳极极间电场分布,引起极间电阻增大、电压升高、电解效率降低,从而影响电解槽的稳定运行。所以,系统分析阳极侧壁气泡的成核、长大、聚并及脱离等生长行为和规律对稀土金属的提取具有十分重要的意义。本文根据相似原理,进行水电解低温实验,按照与稀土电解槽1∶2的几何比例设计,通过铂丝嵌入环氧树脂的方法制备微电极。实验结果表明,垂直微电极侧壁面气泡成核、生长和脱离过程符合经典的气泡生长规律公式D(t)=βt^(1/3);为观察气泡之间的聚并、脱离行为,在微电极表面设计三个间距为500μm的成核点位,通过高速摄像机拍摄发现,微电极表面下方和中间的两个气泡率先发生聚并变为一个气泡,聚并时间为0.05 s,随后吸引上方的气泡与之发生聚并,最终三个气泡合并为一个大气泡脱离微电极,气泡的脱离时间为5.06 s,脱离直径约为1352.03μm。结合数值模拟的方法,进一步解释气泡之间的聚并过程,结果表明,电极表面的缺陷大小会影响气泡的脱离时间,气泡下侧与电极表面的三相接触位置会产生一个向上的涡旋,加速气泡的脱离,正确利用气泡的聚并行为可以减小稀土电解槽的槽电压,从而提高电解效率。

Oldroyd-B黏弹性液滴撞击弯曲壁面的数值研究

液滴撞击弯曲壁面现象广泛存在于冶金、化工和航空航天等领域,在某些场景下,液滴混入高分子聚合物后会表现黏弹性特性,为了进一步认识液滴黏弹性对撞击弯曲壁面的影响,对黏弹性液滴撞击弯曲壁面的过程进行数值模拟研究.研究基于相场方法和格子玻尔兹曼(LBM)方法,采用应力场分布函数求解Oldroyd-B本构方程,并施加适用于弯曲壁面的接触角模型,发展了固-液-气三相黏弹性流体模拟方法,对Oldroyd-B黏弹性液滴撞击弯曲壁面问题进行数值模拟,主要研究了黏度比β、韦伯数We和壁面接触角θ对撞击过程的影响.结果表明:撞击过程主要包括4个阶段:运动阶段、铺展阶段、拉伸阶段和撕裂阶段.黏度比β越低,液滴在铺展拉伸阶段动能衰减越慢,转化的表面能更多,但更早进入撕裂阶段,液滴撞击弯曲壁面后,更容易脱离壁面.韦伯数We较小时,液滴主要在壁面处附着或反弹;We较大时,液滴会撕裂并脱离壁面,We越大,液滴在铺展拉伸阶段动能衰减越快,进入撕裂阶段更慢.壁面的亲疏水性会影响液滴最终的状态,疏水性越高,对铺展阶段的阻碍作用越强,液滴越容易发生撕裂和脱离.

狭窄血管压降及壁面剪应力数值模拟分析

血管狭窄是一种常见的心脑血管病变类型,狭窄血管的几何及流动参数影响着血管内压降及壁面剪应力分布.基于数值模拟分析了稳态条件下血管狭窄度、狭窄长度、偏心度及雷诺数Re对狭窄血管前后压降及壁面剪应力的影响.结果表明狭窄域压降随狭窄长度增加先减小后增大,当狭窄长度接近血管内径2倍时最小.狭窄域压降与轴反向偏心度近似成反比,与轴正向偏心度近似成正比.狭窄血管的径向偏心度越大,狭窄域压降变化幅度越大.此外,在相同狭窄度下,轴正向偏心狭窄的压降比轴反向偏心狭窄的压降更大,当Re<100时狭窄域压降与速度近似成正比,当Re>100时狭窄域压降与速度的平方近似成正比.壁面剪应力整体上随狭窄度增大而增大,在径向偏心狭窄对侧和同侧壁面剪应力大小不同,且随径向偏心度的变化也不同;轴向偏心狭窄的壁面剪应力普遍高于对心狭窄模型,且随Re的增大而增大,当Re<100时增长速度较慢,当Re>100时增长速度较快.研究将有助于评估动脉狭窄引发的血流动力学异常的风险.

倾斜壁面汽泡脱离行为的实验研究

为探索壁面沸腾过程汽泡的脱离规律,通过可视化实验对倾斜壁面汽泡的脱离行为进行研究,获得了倾斜壁面汽泡主要发生的3类脱离行为,包括自由脱离、碰撞脱离与扰动脱离。为降低汽泡行为随机性带来的干扰,建立了量化汽泡脱离特征量的最小无关数原则,确定汽泡自由脱离、碰撞脱离的最小无关数分别为25、34,确保对应脱离特征量的统计偏差小于±5%。在实验参数范围内,基于最小无关数原则统计获得汽泡脱离特征量,结果表明,随着加热壁面热流密度的升高,汽泡自由脱离直径呈增大趋势,汽泡碰撞脱离直径呈减小趋势,汽泡生长时间与等待时间减少,汽泡脱离频率增大。碰撞脱离对汽泡生长时间的减少效应强于对等待时间的延迟效应,综合结果为碰撞脱离缩短了汽泡脱离周期,加快了壁面核化过程。

非球形颗粒碰撞壁面反弹特性的试验及模型

气固分离过程中,颗粒碰撞壁面的反弹行为对颗粒运动及装置的分离效率将产生重要影响。已有研究多针对球形颗粒的碰撞行为,然而实际工业过程中,煤粉、生物质、矿石等颗粒均为非球形颗粒,该类颗粒与壁面碰撞后的反弹行为与球形颗粒存在显著差异。为深入掌握非球形颗粒碰撞壁面的反弹行为,搭建了颗粒壁面碰撞试验装置,采用高速摄像及图像处理方法获得典型非球形颗粒碰撞壁面的基础数据,分析颗粒材质、球形度、壁面粗糙度、撞击角度、撞击速度等关键参数对颗粒-壁面反弹行为的影响。基于颗粒壁面碰撞四参数模型和神经网络模型分别预测了非球形颗粒与壁面的反弹行为的统计和随机分布特性。结果表明各类非球形颗粒与粗糙壁面碰撞的反弹行为存在一致性,说明球形度低于一定数值后,将成为颗粒壁面碰撞反弹行为的主导因素。四参数模型能很好地预测碰撞结果及随机分布特征,而基于试验数据训练的神经网络模型可达到更好的预测效果。

壁面渗透气膜工质对圆锥高超声速边界层稳定性的影响

壁面渗透气膜是一种有应用前景的高超声速边界层转捩控制和减阻降热方式.在马赫数6高超声速静音风洞内,使用纳米粒子示踪的平面激光散射(nano-tracer planar laser scattering,NPLS)技术和高频脉动压力测试技术,研究了壁面渗透气膜工质(氦气、空气和二氧化碳)在相同体积流量条件下对圆锥高超声速边界层的影响.实验结果表明,壁面渗透气膜显著增厚了边界层,最厚位置都出现在渗透区域下游边界处,且氦气气膜时边界层最薄,二氧化碳气膜时最厚.通常,空气气膜和二氧化碳气膜使得边界层内提前出现规则的绳状交织的第二模态波结构,但体积流量较大条件下二氧化碳气膜时,扰动波结构类似剪切层不稳定性.氦气气膜时,扰动波结构不是第二模态波,其形状不规则,随时空变化较大,壁面脉动压力功率谱密度没有出现峰值频率.空气气膜时第二模态波波长大约是边界层厚度的2—3倍,而二氧化碳气膜时增大到3倍以上.二氧化碳气膜时第二模态波峰值频率最小,频带范围最窄,波长最长,幅值最大,扰动波传播距离较远且非线性相互作用较强.

油滴与高温固体壁面碰撞的流动与传热及飞溅特性

考虑油滴(油膜)/固体壁面接触角动态变化和油液热力学特征参数受温度影响,基于流体体积法建立了油滴与高温固体壁面碰撞的三维流动与传热数值计算模型,通过试验验证了数值计算模型的正确性。基于数值计算模型,分析了油滴碰撞高温固体壁面后的流动与传热及飞溅特性,以试验和数值计算结果为基础,建立了描述油膜铺展/飞溅临界判据。结果表明:油滴碰撞高温固体壁面后的状态与碰撞条件有关,破碎、飞溅有利于油膜的铺展流动;二次油滴是油膜边缘破碎产生的油带断裂而成,大直径二次油滴分裂为小直径油滴;随油膜铺展进程,壁面平均热流密度增大,而油膜的径向热流密度则逐渐减小;增大碰撞速度、油滴直径和润滑油温度,有利于油膜的破碎与飞溅,二次油滴数量和下飞溅角均随之增大。

血管壁面剪切应力对动脉粥样硬化和动脉瘤的影响

血管壁面剪切应力是血流动力学的重要参数,正常的壁面剪切应力维持了血管的生理状态,而异常的壁面剪切应力与动脉粥样硬化和动脉瘤的病理进展关系密切,是发生恶性心脑血管事件的危险因素之一。异常的壁面剪切应力通过不同发病机制破坏了内皮细胞的正常功能,介导这两种疾病的起始、演变。文章结合近几年来的文献研究,综述了壁面剪切应力对动脉粥样硬化和动脉瘤的影响。

V Flow技术测量颈动脉壁面剪应力的一致性研究

目的评价血流向量成像(V Flow)技术在测量健康成年人颈动脉壁面剪应力(WSS)中的一致性。方法于2021年2月至2021年3月招募健康成年志愿者20人,由2名不同年资的超声医师使用配备V Flow功能的Mindray Resona 7超声仪和3~9 MHz线阵探头进行双侧颈动脉扫查,分别采集双侧颈总动脉远段、颈总动脉分叉至颈内动脉起始部两段动脉的动态V Flow图像,测量两侧颈总动脉远段的近心端、远心端、分叉处及颈内动脉起始部的前、后壁的WSS,使用组内相关系数(ICC)和Bland-Altman图评估组内一致性及组间一致性。结果双侧颈动脉前、后壁的4个不同节段之间WSS值差异均有统计学意义(P<0.05)。高年资超声医师2次测量结果的一致性结果显示,左侧颈总动脉远段的远心端一致性极好(ICC 0.779),右侧颈总动脉远段的近心端(ICC 0.605)、远心端(ICC 0.585)、颈内动脉起始部(ICC 0.457)、左侧颈总动脉分叉处(ICC 0.606)及颈内动脉起始部(ICC 0.702)一致性均较好;不同年资超声医师的测量结果显示,仅右侧颈总动脉分叉处(ICC 0.486)及左侧颈总动脉远段的远心端(ICC 0.576)一致性较好。结论V Flow技术可显示不同位点间颈动脉WSS之间的差异,其组内一致性较好,但在不同年资超声医师间存在一定的差异。