随机分布的小尺度涡对涡旋自组织影响的研究

以往双涡相互作用的动力学一般都在决定性的框架内研究。文中用一个平流方程模式,实施积分时间为30 h的8组试验,分析决定性和随机性共存系统中双涡相互作用和涡旋自组织的问题。随机性通过以下方式引入模式:先用Iwayama方案生成随机分布的小尺度涡,再将这些小尺度涡加入初始场。试验中,初始随机分布小尺度涡的强度参数K分别取0.0、0.4、0.6、0.8和1.0。结果表明,没有小尺度涡的条件下(K=0.0),初始分离的两个β中尺度涡逆时针互旋,其准终态流型是两个分离的涡;引进小尺度涡后,K取0.8、1.0时,初始分离强度相同的两个β中尺度涡,逐渐形成主次之分。主涡将次涡拉伸成为螺旋带,其准终态流型是一个自组织起来的类似于台风环流的涡旋。准终态涡中心的相对涡度值随K值的加大而加大。结果还表明,准终态流型不仅与初始小尺度涡的强度参数有关,而且与初始小尺度涡的分布有关。此外,在相同初始场的情况下,还实施了3类不同边畀条件的试验:第1类,在东西边界取周期条件,在南北边界取固定条件;第2类,在所有边界均取固定条件;第3类,在所有边界均取周期条件。这3类试验的准终态流型相同,都显示出一个类似于台风涡旋的环流。根据这些结果可以初步认为,涡旋自组织的研究从决定性动力学向随机动力学的过渡是值得探索的。

高超声速湍流场中小尺度涡结构对光传输的影响

从高超声速湍流流场中的多尺度涡结构入手,基于随机透镜理论,利用经典的Mie散射理论对不同尺度涡结构产生的气动光传输效应进行了分析,得到涡结构的散射特性与其尺度的相关性;再结合由不同马赫数下的CFD流场数据得到的Strehl比以及不同雷诺数条件下的风洞测试试验序列图像中退化图像能量集中度的统计结果,分析高超声速湍流流场中小尺度涡结构的分布规律及其演化过程;建立气动光学畸变与小尺度涡结构的关系。结果表明,利用Mie散射理论可以直观分析高超声速湍流流场中不同尺度涡结构的分布情况和由此带来的光学畸变。

舟山本岛北部大麦秆礁海域地形诱发的小尺度涡

在舟山附近北至南汇嘴附近,南至象山港附近,东至-60 m等深线附近海域建立了二维潮流模型,通过多个验潮站和实测潮流资料的验证,潮流、潮位计算结果与实测结果符合良好。在此基础上,通过数值模拟,研究了舟山北部大麦秆礁附近海域地形诱发的小尺度涡,Lagrange质点漂移实验也很好地验证了数模的结果。为了研究大麦秆礁的地形对小尺度涡的影响,在数值模型中将大麦秆礁的东北部的岛礁去除,结果显示:涨潮时,大麦秆礁西侧两个小尺度涡减少为一个;落潮时,大麦秆礁东北岛礁东侧两个小尺度涡消失,表明地形是大麦秆礁附近小尺度涡生成的主要原因。

四边形外循环膜生物流化床内液相涡结构特性

针对研究开发的四边形外循环膜生物流化床,构建了气固液三相流可视化平台,应用激光粒子图像测速(PIV)技术分析了曝气强度对流化床液相流场特性的影响,结合涡量法和旋涡强度法分析了旋涡结构特性,初步剖析了流化床多相流运动形成的机理。结果表明,流化床液相速度随曝气强度的增加而增加,流化床形成的环流有助于控制和降低气泡的附壁效应,曝气量分布和气液掺混效果更好,提高了气含率并降低了能耗,最终提高了污水处理效果。由于流化床降流区和升流区的冲击,使整个流化床形成了大量的小尺度涡;填料在整个床体中长期和稳定的流化机理为大量的小尺度涡把受作用下沉的颗粒托浮起来;冲击使得气泡与气泡的碰撞、破碎及合并概率增大,进而增加气液传质效率;固液接触面摩擦增强,进而造成载体生物膜细胞传质浓度边界层趋向不稳定,进而增加了固液的传质效率;气固液三相冲刷膜组件有助于抑制膜污染。四边形外循环膜生物流化床在传质、流化和抑制膜污染上具有独特的优势,是高负荷有机废水好氧生物处理的开发方向。

基于本征正交分解的脉冲射流尾迹分析

基于雷诺平均N-S方程对脉冲射流作用下的翼型非定常流场进行数值模拟,采用本征正交分解(POD)方法对低频率、中等频率、高频率脉冲射流尾迹中涡结构的变化进行分析。结果表明:借助POD方法能够有效提取尾迹中小尺度涡结构的运动状态。POD方法提取的低阶模态主要反映了尾迹中强度最大的尾涡静态分离结构,对应脉冲射流的主频成分,高阶模态则主要反映了尾涡内部或尾涡之间的流动状态,对应脉冲射流的高阶倍频成分,尾涡内部的相互拉伸包含频率范围较广,尾涡之间的牵引分解包含频率较为单一;低频率下尾迹中仅能提取到一对主要尾涡,高频率下尾迹中能提取到多对强度相当的尾涡;低频率下尾涡单一且相互作用简单,用前六阶模态即可表征流场结构,高频率下尾涡数量多且相互作用复杂,需要更高阶模态才能表征其流场结构。

四边形折流式膜生物流化床内填料浓度及液相流场特性研究

针对研究开发的四边形折流式膜生物流化床,构建了气、固、液三相流可视化平台,应用取样法和激光粒子图像测速(PIV)技术剖析了不同进水流量和曝气强度组合对流化床内的填料浓度及液相流场特性的影响.结果表明,折流板上部形成的曝气死区,提高了升流区的填料浓度;折流板和导流锥形成的进水角度使流场冲击反应器底部的填料,提高了在低曝气强度下流化床的填料浓度,在实际运行过程可降低曝气能耗;四边形折流式膜生物流化床的结构特点导致填料与膜组件相互碰撞的概率增大,强化了膜污染的控制.曝气强度和进水流量的变化改变了液相的轴向返混强度和剪切力,进而改变了填料浓度,使气、固、液三相冲刷膜组件的作用增大,最终影响膜面传质系数和浓差极化边界层厚度,降低了膜污染.通过流化床结构的改变提高填料浓度和改善流场特性,为高浓度有机废水好氧生物的处理提供了一个研究方向.