贴壁二维方柱绕流对壁面摩擦应力的影响

利用TR–PIV与平行双丝热线,对平板边界层内的贴壁二维方柱绕流流场和壁面摩擦应力的关联进行了实验研究。主要关注方柱下游大尺度流动结构的运动对近壁面流向平均速度零点处摩擦应力的影响(基于方柱宽度与来流风速定义的雷诺数固定为1.1×10^(4))。研究表明,贴壁二维方柱绕流产生了2种典型的流动结构:一为向壁面靠近并接触壁面的近壁流动结构,本文称“I涡”;一为平行壁面沿流向运动的流动结构,本文称“Ⅱ涡”。Ⅰ涡、Ⅱ涡的出现改变了壁面附近流动速度的大小和方向,影响了测点壁面摩擦应力:增大了流向速度梯度,导致摩擦应力陡增;减小了流向速度梯度,导致摩擦应力锐减;改变了摩擦应力方向。本文研究结果可为理解表面冲蚀、污染物聚集、近壁面湍流耗散等问题的机理提供参考。

大间隙环流壁面摩擦及偏心转子静特性研究

基于紊流整体流动模型和 Ｍｏｏｄｙ 壁面摩擦系数方程，简化了大间隙环流三维流场非线性偏微分控制方程组，推导了零阶摄动方程，并采用数值方法对大间隙环流中偏心转子静特性进行了深入研究．实例计算结果表明：大间隙环流中转子与以轴承和密封为代表的小间隙环流中转子的静特性有很大不同；壁面摩擦系数沿周向变化；

Maxwell流体管内振荡流的壁面摩擦力分析

研究了Maxwell流体对管内振荡型Poiseuille流动的管壁摩擦力特性。由Bessel方程控制速度振幅 ,用分离变量法求出了解析解。由振荡频率对管壁摩擦力的影响的研究中发现 ,管壁摩擦力存在类共振特性 ,即在某些临界频率位置 ,振荡流体在管壁上产生的摩擦力会急剧增大。流体的弹性参数、管径和振荡流频率对壁面摩擦力的影响可用两个无量纲参数 ω和 R表示。在确定的 ω范围内 ,当 R取值较小时 ,壁面摩擦力振幅与 ω变化关系曲线的共振峰较少 ;随着 R的增大 ,共振峰的位置在 ω轴上左移 ,幅值下降 ,个数增多 ;在 R >12之后 ,该曲线变成一条单调下降的曲线 ,与牛顿流体的曲线一致 ,且不再有任何共振现象。

粉粒体静壁面摩擦系数及双向测试法

介绍粉粒体静壁面摩擦系数在粉粒体工程设计中的应用及重要性，分析了影响该摩擦系数的因素以及国内外测试粉粒体静壁面摩擦系数的几种常用方法。提出了双向法测试粉粒体静壁面摩擦系数，并详细介绍了该法的适用范围、设备设计原则、测试步骤、注意事项及测试结果的数据处理以及测试报告的内容，并将该方法与常用方法进行比较，以说明该法的优点。

利用双参数非线性拟合求解湍流边界层壁面摩擦速度

热线风速仪是流场测量的基本手段,广泛应用于湍流研究。在低速风洞中用绊线和粗糙带获得充分发展的湍流边界层流动,利用IFA-300恒温热线风速仪测量了湍流边界层不同流向站位的时均速度型。以湍流边界层的无量纲速度型模型White Law为目标曲线,分析了通过速度型拟合反推壁面摩擦速度方法的应用问题,编制了关于双参数壁面坐标理论零点位置y0和壁面摩擦速度uτ的非线性曲线拟合MATLAB程序。以实验测量的测点速度为原始拟合数据,讨论了初始搜索区间和搜索步长、拟合数据范围对拟合结果的影响,并最终求解得到y0和uτ。研究结果表明:所提方法编程思路简单,容易实现,合理选取用于曲线拟合的测点速度数据范围,利用该方法可以求得较高精度的壁面摩擦速度值。

楔形中心和偏心料仓中壁面摩擦系数对卸料速率的影响

采用离散元方法(DEM)研究了在不同的内摩擦系数、料仓半锥角和料仓宽度条件下,楔形中心料仓和偏心料仓中壁面摩擦系数对卸料速率的影响。研究发现,随着壁面摩擦系数的增加,两种料仓的卸料速率均先降低后稳定。当料仓从中心料仓变为偏心料仓时,壁面摩擦系数对卸料速率的影响程度以及卸料速率停止下降时的壁面摩擦系数的值都增大。随着内摩擦系数的减小或料仓半锥角的增大,壁面摩擦系数对卸料速率的影响程度以及卸料速率停止下降时的壁面摩擦系数的值都逐渐减小。增加料仓宽度能够削弱壁面摩擦系数对卸料速率的影响程度,但并不改变卸料速率停止下降时的壁面摩擦系数的值。

基于粒子追踪测速的壁面摩擦应力测量

采用微粒子追踪测速技术(Micro-Particle Tracking Velocimetry,μ-PTV)对近壁面的流场开展高空间分辨率测量,通过解析黏性底层的速度分布,应用一次线性回归计算得到壁面摩擦应力。测量了不同雷诺数(基于动量损失厚度)下的湍流边界层壁面摩擦切应力,在Reθ=1200时获得了罕见回流事件的发生概率和流场结构。实验结果表明,采用μ-PTV技术可以实现壁面摩擦应力的准确测量,在Reθ=1634~4070时,摩擦阻力系数测量误差小于2%。回流事件的概率极低,在Reθ=1200时约为0.05%,尺度小于8×30个壁面单位,因此回流事件的测量对测量技术的空间分辨率要求较高;分析结果表明回流事件伴随壁面附近的强展向涡出现。

基于剪切敏感液晶涂层的壁面摩擦力矢量场全局测量方法

针对壁面摩擦力测量问题,建立了一种基于剪切敏感液晶(SSLC)涂层技术的平板表面摩擦力矢量场全局测量方法。该方法利用SSLC涂层在摩擦力作用下的颜色变化特性(不同方向显示不同颜色)并结合其颜色变化与摩擦力大小之间的校准关系解算摩擦力矢量的方向和大小,能够测量整个待测区域的摩擦力矢量分布。应用所述方法测量了平板表面凸起物绕流的摩擦力矢量场。试验结果表明,该方法不仅能够高分辨率测量出平板表面凸起物绕流的摩擦力矢量场,而且能够研究凸起物的尾迹区随着流动速度增加的发展过程。

一种考虑壁面摩擦作用的发射井引射器设计方法

针对发射井优化设计问题,基于引射器函数方法提出了一种考虑壁面摩擦作用的发射井引射器准一维设计方法,建立了考虑壁面摩擦作用的引射器函数和静压协调函数.证明了考虑壁面摩擦作用时驻点速度小于声速,引射器不能达到第三极限,只能达到驻点极限.以实际算例分析了发动机总压、发射井横截面积、混合室出口压强变化时的引射器工作特性,画出了工作特性曲线.采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,分别建模分析了发动机总压、发射井横截面积、混合室出口压强变化时发射井引射器中超声速射流流动形态,将CFD方法得到的混合室入口压强与准一维方法的结果进行了对比.结果表明,准一维方法得到的工作特性曲线与CFD方法的计算结果差距较小,在混合室背压变化时最大误差为4.31%,验证了准一维方法的准确性.

用平均速度剖面法测量湍流边界层壁面摩擦速度的对比研究

基于不同雷诺数平板湍流边界层平均速度剖面,分别采用黏性底层拟合、对数律区拟合以及Spalding公式拟合算法计算了壁面摩擦速度,并对平均速度剖面进行无量纲化。通过比较无量纲化的平均速度剖面与理论规律曲线,验证了三种拟合计算方法的有效性。通过比较三种拟合算法所得的壁面摩擦速度与油膜干涉法直接测得的壁面摩擦速度之间的误差,并分析不同拟合算法误差形成的内在机制,验证了三种拟合算法计算结果的准确性与可靠性。结果表明Spalding拟合算法计算结果的准确性和可靠性都要优于其他两种拟合算法。

Spalding公式在脊状表面湍壁摩擦力测量中的应用

在低速风洞中来流速度一定的情况下使用IFA300恒温热线风速仪测量了光滑表面和两种不同尺寸的脊状表面湍流边界层平均速度分布剖面,并验证了试验段湍流发展的充分性;通过应用Spalding壁面公式使用最小二乘法精准拟合了实验测量的边界层内层速度分布曲线,得到了湍流边界层壁面摩擦速度并进一步求得湍流壁面摩擦应力,较准确地计算出脊状表面的虚拟原点位置,并通过与对数律公式拟合结果比较分析,证实了该方法更加准确有效.最后分别计算了3种实验模型的湍流边界层动量损失厚度.通过对比脊状表面与光滑表面动量损失厚度和壁面摩擦应力,反映了动量损失厚度的大小与壁面摩擦应力的大小具有一致性,充分证实了脊状表面在湍流中具有一定的减阻效果.

油膜干涉测量翼型壁面摩阻低速风洞试验技术

油膜干涉试验可以定量测量得到模型壁面的摩擦应力,是开展摩阻特性研究的有力工具。通过对油膜干涉试验技术中的试验原理、试验方法、误差修正、数据结果分析等关键问题的研究,初步建立了试验系统,具备了开展模型壁面摩阻特性研究的试验能力。综合分析表面热膜试验结果与数值计算结果,在以模型弦长为特征长度,试验雷诺数Re=1.3×106的条件下,翼型表面摩擦应力沿模型弦向的分布规律具有较好的一致性。

柔性壁面湍流减阻机理与多尺度相干结构控制的实验研究

用热膜测速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率，精细测量了水槽中刚性壁面和柔性壁面平板湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号，利用湍流边界层近壁区域的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体粘性系数、壁面摩擦切应力等内尺度物理量的关系，在准确测量湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上，通过非线性迭代求解壁面摩擦速度以及湍流边界层壁面摩擦切应力。结果表明：柔性壁的湍流边界层速度分布在对数律层有所上移，缓冲层增厚，说明柔性壁面具有一定的减阻作用。 利用湍流多尺度局部平均结构函数的概念和多尺度局部平均结构函数的瞬时强度因子、平坦因子检测多尺度相干结构及其间歇性的方法，提取了湍流边界层多尺度相干结构的条件相位平均波形。对比研究了刚性壁面和柔性壁面平板湍流边界层近壁区域多尺度相干结构的条件相位平均波形及其间歇性的统计特征，分析了柔性壁面具有减阻作用的物理机理。

平板表面薄圆柱绕流摩擦力矢量场全局测量

针对壁面摩擦力矢量场测量问题,基于剪切敏感液晶(SSLC)涂层技术建立了一种测量平板表面摩擦力矢量场的方法。该方法基于多视角测量原理,采用六台同步相机从不同方向同时采集SSLC涂层在摩擦力作用下的颜色变化,与采用单台相机相比能够降低测量噪声,并且具有测量非定常流动的摩擦力场的潜力。应用该方法测量了平板表面薄圆柱绕流的摩擦力矢量场,结果表明:(1)SSLC涂层能够以彩色方式定性显示壁面摩擦力信息;(2)通过对不同方向观测的SSLC涂层颜色进行分析处理,该方法能够高分辨率测量薄圆柱绕流的摩擦力矢量场,详细地捕获了流动特征;(3)同一份SSLC涂层可以重复使用并且可用于测量不同的摩擦力矢量场。

浮环轴承系统中浮动环作用机理研究

研究了浮环轴承系统中浮动环的作用机理。基于Hirs整体流动理论和Moody壁面摩擦系数方程,从广义不可压Reynolds方程出发,建立考虑外层油膜剪切效应及浮动环弹性变形的浮环轴承系统的新的三维动力学模型,并推导了该模型的微分方程。通过数值算例分析,证明浮动环能较大幅度地降低由大不平衡量引起的油膜刚度和阻尼的高度非线性。随着偏心率的增大,挤压油膜系统的最大正油膜压力出现的位置向气穴油膜系统的正负压区交界处移动。

浮环轴承系统中浮动环涡动运动研究

研究了浮环轴承中内、外层不平衡油膜力作用下浮动环的运动情况。从广义不可压Reynolds方程出发,推导了浮环轴承内外层油膜的瞬态控制方程,结合Hirs整体流动理论和Moody壁面摩擦系数方程,获取浮动环的运动方程,通过算例,较为深入地研究了浮环轴承系统中浮动环的涡动特性:浮动环质心稳定状况下运动轨迹呈椭圆形分布,且幅值随轴颈偏心率增大而增略呈减小趋势。

弹性环式挤压油膜系统新的三维动力学模型

建立考虑外层油膜剪切效应的弹性环式挤压油膜系统的新的三维动力学模型。该模型采用Hirs整体流动理论和Moody壁面摩擦因数方程,在考虑壁面摩擦及外层油膜剪切效应影响的基础上,通过油膜连续方程、平衡方程获取弹性环式挤压油膜系统的控制方程,更为合理。通过数值算例分析,证明由新模型能较大幅度地改进弹性环式挤压油膜系统的动态性能。

端壁射流对压气机叶栅角区分离控制的研究

为了研究端壁射流对压气机叶栅端壁角区分离控制的可行性和有效性,以压气机叶栅为研究对象,基于数值模拟方法对不同射流角和射流比控制参数下的计算工况进行了对比和分析。研究结果显示:端壁射流可以有效地控制角区的分离和降低叶栅损失,提高了叶栅的流通能力;控制效果受射流角和射流比的影响,只有射流控制参数大于临界射流角和临界射流比时,角区分离的控制效果才会显著,在10°射流角和0.23%的射流比条件下可以获得33.4%的相对叶栅损失增益;端壁射流在较大射流比下可以有效削弱通道涡、角涡的强度,阻断了其与尾缘脱落涡的接触,降低了涡系间相互作用导致的高损失影响;由于流道角区阻塞度的减小,叶展中部截面的损失和出气角会有少量增加。

关于一个新型转捩模式的研究与应用

采用了新型的转捩预测模式,将间歇因子耦合到湍流脉动输运方程中去,计及流体转捩的内在因素,因而能够反映转捩的具体发展过程.以二维不可压平板边界层和二维NACA0012翼型为例,研究了该转捩模式在预测不可压转捩流动时的作用,得到与实验值符合良好的计算结果.同时也研究了该转捩模式在不同网格分辨率下的计算能力和对近壁面网格分辨率的要求.

锥体料斗内散料流动相对速度分布的实验研究

用示踪法进行了散粒体在圆锥料斗内不同出口直径条件下流动时相对速度分布的试验 ,并以此对Jenike轴向应力和共轴理论进行了实验验证 ,发现有些散料与Jenike轴向应力和共轴理论符合较好 ,而有些与之偏差较大。分析了内摩擦角、壁面摩擦角对最大主应变率方向的影响。