沟槽对液固两相湍流中展向涡结构影响的实验研究

采用粒子图像测速技术(particlesimage velocimetry,PIV)研究沟槽对含有355μm聚苯乙烯颗粒的液固两相湍流边界层的影响规律,通过对比流过沟槽壁面与光滑平板含颗粒流的平均速度剖面、湍流度及雷诺切应力等湍流统计量,分析沟槽对两相湍流边界层特性的影响。采用空间多尺度、局部平均结构函数和λci涡量识别准则准确识别发卡涡展向涡的涡心,并提取周围脉动速度及流线的空间拓扑结构,对不同法向高度处顺向涡的数量规律进行统计分析。结果发现:与光滑平板相比,沟槽壁面平均速度剖面缓冲层部分抬升,对数区外移,壁面摩擦速度和摩擦切应力变小,表现出4.86%的减阻效果;在同一法向高度,相较于光滑壁面,沟槽壁面下检测到的顺向涡结构倾角较小,数量也较少,周围流向脉动速度较弱,说明在两相流中沟槽壁面能够削弱发卡涡的强度和发生可能,达到减阻的效果。

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。

不同轴承壁面沟槽诱导油液穿透机理

以高速角接触球轴承为研究对象,在轴承外圈内壁开设沟槽,采用流体动力学对高速轴承壁面沟槽模型进行气液两相流数值模拟。利用VOF(volume of fluid)模型对轴承环间气液两相流界面进行动态捕捉,分析油液在沟槽诱导作用下的运动过程和分布特点,探究阻碍油液进入腔内的影响机理。分别研究了沟槽形状、深度、方向以及喷油参数等因素对高速轴承腔内和滚道润滑油体积分数的影响规律。研究结果表明:在高速轴承喷油润滑阶段,通过对沟槽形状、深度、方向的分析,得到圆弧形沟槽适用于高速轴承,沟槽深度为0.8mm,沟槽方向为60°有利于油液进入轴承环间,腔内有效润滑油和外滚道油液体积分数最高。通过试验测得壁面有沟槽和无沟槽轴承腔内油液体积分数并与仿真结果对比,发现在轴承高速阶段开设壁面沟槽有利于润滑油进入轴承腔,为高速轴承的润滑设计提供了新的方法。

沟槽壁面减阻机理实验研究

利用IFA300型热线风速仪,测量了光滑壁面和沟槽减阻壁面湍流边界层内的瞬时速度,利用自行设计的阻力天平仪测量了壁面摩擦力。得到了边界层无量纲速度分布和平均湍动能分布。对测得的脉动速度信号,利用离散正交小波变换按时间和尺度分解,得到各尺度分量的湍动能,并且发现其分布在湍流惯性区具有极大值。分析表明,当沟槽有减阻效果时,边界层内的平均湍动能减小,湍流惯性区各分量的湍动能极大值亦减小。

沟槽壁面对泰勒涡流稳定性影响的数值模拟

利用CFD数值模拟方法对光滑壁面与沟槽数量为18的2种同心圆柱模型内的泰勒-库艾特流动进行计算,在对比光壁模型的PIV试验与CFD数值计算结果后,发现两者吻合良好,验证了文中采用数值计算方法的准确性;针对泰勒涡流流态,定量分析了光壁模型R-Z平面上径向速度以及轴向速度的周期波动性,讨论了环隙中不同径向位置的径向以及轴向速度分布规律,获得了泰勒涡胞尺寸随着Re数增大而减小的变化规律;在相同的Re数下,沟槽数量为18的模型内也出现了泰勒涡流,通过比较2种不同结构模型内流场以及涡量场,发现沟槽的存在显著改变了流场分布,增大了环隙内涡量的大小及泰勒涡胞的尺寸,环隙中部指向外圆柱方向的径向速度也较光壁模型增大了20%,同时,计算获得R-θ平面内沟槽区域的流场分布表明该区域存在着明显的旋涡运动.

沟槽壁面湍流相干结构被动控制的热线测量

沟槽壁面减阻是船舶和管道输运中具有重要应用前景的减阻技术.应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的多尺度相干结构被动控制和减阻机理进行了实验测量研究.从壁湍流多尺度相干结构控制的角度分析了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.用热线风速仪和双平行丝梯度热线探针测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同法向位置的瞬时流向速度分量及其流向梯度的时间序列信号.用流向速度分量时间序列信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量及流向雷诺应力分量的相位平均波形.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的条件相位平均波形、流向湍流强度等统计特征.

沟槽超疏水复合壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验研究

利用TRPIV实验分别测量了湍流边界层在亲水壁面、超疏水壁面以及沟槽超疏水复合壁面上的瞬时速度场,对比分析了3种壁面的摩擦阻力,发现沟槽超疏水复合壁面的减阻率能够达到20.7%,而超疏水壁面只有14.6%。通过对比分析湍流边界层在3种壁面上的湍流脉动强度,发现法向湍流脉动强度在3种壁面上无明显变化,而在y^(+)<150区域的同一法向高度上,流向湍流脉动强度在沟槽超疏水复合壁面上相对于亲水壁面的减小程度比超疏水壁面更高。为了进一步研究不同尺度的湍流脉动在不同壁面的变化情况,本文采用基于傅里叶变换的空间滤波法,将瞬时脉动速度场分解为空间流向波长大于δ的大尺度部分和波长小于δ的小尺度部分,发现超疏水壁面和沟槽超疏水复合壁面对大尺度流向湍流脉动强度的抑制作用可以到达y^(+)=150的法向位置,而对小尺度流向湍流脉动强度的抑制作用只能到达y^(+)=100的法向位置。采用以顺向涡为条件的大尺度脉动速度的条件相位平均方法,发现在y_(ref)=0.1δ处超疏水壁面和沟槽超疏水复合壁面相比于亲水壁面都存在正的大尺度流向脉动与负的法向脉动增强、负的大尺度流向脉动与正的法向脉动减弱以及脉动速度的0等值线偏离条件相位平均参考点的趋势,且沟槽超疏水复合壁面的移动趋势最弱。通过对比3种壁面不同法向高度的顺向涡强度值,同法向高度上亲水壁面、超疏水壁面以及沟槽超疏水复合壁面的涡强度值依次减弱,表明沟槽超疏水复合壁面比超疏水壁面能更有效地抑制近壁区涡结构的运动,从而实现更好的减阻效果。

沟槽壁面湍流减阻模化方法应用研究

为了解决雷诺平均Navier Stokes方法和沟槽壁面模型直接数值模拟存在的建模和计算问题,开展沟槽壁面湍流减阻模化方法研究。借鉴Wilcox粗糙度模化思想,通过引入减阻百分比,分别建立与沟槽尺寸、壁面的函数方程,进而实现沟槽尺寸和壁面的模化方程建立,完成一种基于SST湍流模型的壁面粗糙度模化方法。选取NACA0012翼型和CRM翼身组合体开展沟槽壁面湍流减阻评估研究。研究结果表明:沟槽壁面具有明显的减阻效果,使翼型上表面速度对数区出现明显上移,飞机升力系数增加、阻力系数减小,明显提高飞机的整体气动效能。方法为沟槽壁面湍流减阻应用研究提供了一种新的数值模拟方法,具有很好的工程实用价值。

沟槽壁湍流减阻机理的氢气泡流动显示及数字图像分析

应用氢气泡流动显示和数字图像处理技术,对微型沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.对开口循环水槽中沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带流动结构及其猝发现象进行了氢气泡流动显示,应用"帧间比较"定量分析方法,获得了水平平面内流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布,并对沟槽壁面和平板壁面近壁面区域湍流相干结构的氢气泡流动显示图像进行了比较分析,根据流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布分析了沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带结构的展向尺度特征,从壁湍流相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.

沟槽面湍流边界层减阻的TRPIV测量

采用高时间分辨率粒子图像测速技术对沟槽壁面平板湍流边界层速度矢量场的时间序列及其统计量进行了实验测量,讨论了在同一来流速度下沟槽壁面对平均速度剖面﹑雷诺切应力及湍流强度的影响.用流向速度分量的多尺度空间局部平均结构函数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠事件的脉动速度、展向涡量的二维空间拓扑形态.结果表明,与同材料光滑壁面对比,沟槽壁面实现了10.73%的摩阻减小量;沟槽壁面湍流边界层湍流强度及雷诺切应力皆比光滑平板湍流边界层对应统计量小,说明沟槽壁面有效降低了湍流边界层内流体的脉动.通过比较壁湍流相干结构猝发事件各脉动速度分量与展向涡量的空间分布特征,肯定了沟槽壁面的减阻效果,发现沟槽壁面通过抑制相干结构猝发事件实现减阻.

沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.

沟槽数量对泰勒涡流稳定性的影响

用粒子图像测速技术(Particle image velocimetry,PIV)对光滑壁面和沟槽数量为18的模型内的流场进行测量,初步获得沟槽的存在对于环隙内流场的影响规律;同时利用数值计算获得沟槽数量为18的模型内的流场分布,通过对比试验结果和数值模拟结果,验证数值计算方法可靠性。通过数值计算研究沟槽数量0、6、12、18模型内的流场分布,在比较沟槽模型与光壁模型环隙内的速度场和涡量场的基础上,得出以下结论:较少的沟槽数量增加了泰勒涡的轴向尺寸,随着沟槽数的增加,沟槽结构对流场影响不断加剧,环隙内最大径向速度和轴向速度均有不同程度的增加;对比不同轴向位置的流场分布,发现沟槽区域内存在明显的旋涡流动,不同轴向位置沟槽内的流体存在着进出环隙内的运动。

固体颗粒对沟槽湍流边界层影响的实验研究

本文采用粒子图像测速技术(particles image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板湍流边界层中的平壁和沟槽壁面减阻效果的影响.实验对清水和加入粒径为155μm聚苯乙烯颗粒的流法向二维速度场信息进行采集,对不同工况下的平均速度剖面、雷诺应力和湍流度等统计量进行对比,分析流体在边界层中的行为.运用空间局部平均结构函数提取了不同工况湍流边界层喷射-扫掠行为的空间拓扑结构并进行比较.结果发现,在不同的壁面条件下,粒子加入后的对数律区中无量纲速度均略大于清水组,雷诺切应力有所降低,湍流度有所减弱.对于不同流场速度下的沟槽而言,颗粒的加入均降低了壁面附近的阻力,而颗粒单独作用于光滑壁面的减阻效果并不明显.加入粒子后的相干结构数目有所增加,法向脉动速度下降.沟槽壁面附近的相干结构数目有所增加,法向脉动速度在自由来流速度较大时有所上升,在速度较小时有所下降.这表明不同减阻状况下的沟槽均能将大涡破碎成更多的涡,并且粒子的加入强化了这种破碎作用.

低雷诺数沟槽表面湍流/非湍流界面特性的实验研究

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为Reτ=400~1000.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下,无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在(0.8~0.9)δ99附近.对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致,均遵循正态分布,而当阻力增大时,界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度.在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大.此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.

外圆柱沟槽对环隙内波动涡流的影响

采用CFD数值计算方法对同心圆柱环隙内的波动涡流进行了数值模拟,根据PIV试验结果验证了数值计算方法的可靠性.重点研究了光壁模型和沟槽数量为9的2个模型环隙内的流场分布以及波动涡流的波动特性,对比分析了2种模型周向的流场分布,计算了泰勒涡的轴向尺寸及其轴向振幅,通过对比2种模型在R-Z平面上的径向速度分布,讨论了沟槽对环隙内流体的外射流作用的影响,分析了沟槽区域的流动特征以及出现的二次流现象.研究结果表明:沟槽的存在显著改变了环隙内的流场分布以及波动涡流的波动特性,沟槽区域形成的旋涡流动促进了沟槽内流体与环隙内流体的相互作用,加剧了环隙内的流动不稳定性.

沟槽深宽比对泰勒涡流影响的研究

本文采用数值模拟研究了同心圆柱环隙内的泰勒涡流,利用PIV实验结果验证了模拟结果的可靠性。为掌握沟槽尺寸对环隙内流场及其传热过程的影响规律,本文研究了四种不同深宽比模型内的流场及温度场分布,通过对比不同模型的计算结果,获得如下结论:环隙间存在恒定温度梯度时,随着深宽比增加,泰勒涡轴向尺寸逐渐增加;深宽比影响了环隙内流体的径向速度分布,当深宽比为0.75时流体的径向速度最大;深宽比为0.75时内圆柱壁面热流密度最大,当深宽比大于0.75并继续增加时,环隙内流体的传热性能并没有得到明显加强。综上所述,本文所研究的4种不同深宽比的模型中,深宽比为0.75的模型具有最优的传热效果,沟槽深度在一定范围内能够强化流体与壁面之间的对流换热。